運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)問(wèn)世已久，以往的架構(gòu)都相當(dāng)單純，不過(guò)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸寬廣，其架構(gòu)也日益多元，不同領(lǐng)域也有不同形式的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)相對(duì)應(yīng)，就目前來(lái)看，將運(yùn)動(dòng)控制可以分成三種種形式：
1.點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制：這種運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是僅對(duì)終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動(dòng)的中間過(guò)程即運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)關(guān)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要求具有快速的定位速度，在運(yùn)動(dòng)的加速段和減速段，採(cǎi)用不同的加減速控制策略。在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了使系統(tǒng)能夠快速加速到設(shè)定速度，往往提高系統(tǒng)增益和加大加速度，在減速的末段採(cǎi)用S曲線減速的控制策略。為了防止系統(tǒng)到位後震動(dòng)，規(guī)劃到位後，又會(huì)適當(dāng)減小系統(tǒng)的增益。所以，點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器往往具有線上可變控制參數(shù)和可變加減速曲線的能力。
2.連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制：又稱為輪廓控制，主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)輪廓控制。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要解決的問(wèn)題是如何使系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，既要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運(yùn)動(dòng)時(shí)的切向速度的恒定，對(duì)小線段加工時(shí)，有多段程式預(yù)處理功能。
3.同步運(yùn)動(dòng)控制：是指多個(gè)軸之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，可以是多個(gè)軸在運(yùn)動(dòng)全程中進(jìn)行同步，也可以是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的局部有速度同步，主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統(tǒng)控制中。工業(yè)上有印染、印刷、造紙、軋鋼、同步剪切等行業(yè)，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器的控制演算法常採(cǎi)用自適應(yīng)前饋控制，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來(lái)保證在輸入端加一個(gè)與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制週期干擾，保證系統(tǒng)的同步控制，從市場(chǎng)的應(yīng)用情況回饋來(lái)看，按照不同的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)推廣，將具有一定的優(yōu)勢(shì)。
多面相控制技術(shù)
對(duì)於週期性、多頻擾動(dòng)常見(jiàn)的控制方法則有四種：
(1) 學(xué)習(xí)控制是一種通過(guò)重複的試運(yùn)行來(lái)形成目標(biāo)輸入，從而在有限時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生所需輸出的方法，它被認(rèn)為是一種對(duì)目標(biāo)輸入的逆系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)生成的方法。
(2) 自適應(yīng)前饋控制是通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來(lái)保證在輸入端加一個(gè)與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制週期干擾。
(3) 內(nèi)模控制（Internal Model Control）是將干擾模型包含在回饋環(huán)內(nèi)，控制器的設(shè)計(jì)主要是選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)膫鬟f函數(shù)，使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，且具有期望的輸入、輸出性能，以抑制週期性干擾。這種方法還可處理多頻干擾問(wèn)題。
(4) 重複控制則是採(cǎi)用內(nèi)模原理，通過(guò)建立重複補(bǔ)償器和穩(wěn)定化補(bǔ)償器，使系統(tǒng)具有內(nèi)部穩(wěn)定性，進(jìn)而抑制週期性干擾。由於運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用範(fàn)圍越來(lái)越廣泛，為了適應(yīng)新的情況、特定環(huán)境和物件，不斷會(huì)有新的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、多軸插補(bǔ)和控制濾波演算法出現(xiàn)。
通用運(yùn)動(dòng)控制功能
運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備不但在傳統(tǒng)的機(jī)械數(shù)控行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，而且在新興的電子製造和資訊產(chǎn)品的製造業(yè)中起著不可替代的作用。通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已逐步發(fā)展成為一種高度集成化的技術(shù)，不但包含通用的多軸速度、位置控制技術(shù)，而且與應(yīng)用系統(tǒng)的工藝條件和技術(shù)要求緊密相關(guān)。事實(shí)上，應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)要求，特別是一個(gè)行業(yè)的工藝技術(shù)要求也促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)控制器的功能的發(fā)展。通用運(yùn)動(dòng)控制器的許多功能都是同工藝技術(shù)要求密切相關(guān)的，通用運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用不但簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)甚至簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。
通用運(yùn)動(dòng)控制器的第一功能在多個(gè)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能方面，實(shí)際上是形成運(yùn)動(dòng)的速度和位置的基準(zhǔn)量。合適的基準(zhǔn)量不但可以改善軌跡的精度，而且其影響作用還可以降低對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)以及機(jī)械傳遞元件的要求。通用運(yùn)動(dòng)控制器通常都提供基於對(duì)衝擊、加速度和速度等這些可影響動(dòng)態(tài)軌跡精度的量值加以限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，用戶可以直接調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。對(duì)於加速度進(jìn)行限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃產(chǎn)生梯形速度曲線；對(duì)於衝擊進(jìn)行限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃產(chǎn)生S形速度曲線。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)於數(shù)控機(jī)床而言，採(cǎi)用加速度和速度基準(zhǔn)量限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，就足已獲得一種優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)於高加速度、小行程運(yùn)動(dòng)的快速定位系統(tǒng)如PCB鑽床、SMT等，其定位時(shí)間和超調(diào)量都有嚴(yán)格的要求，往往需要高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。
第二是多軸插補(bǔ)、連續(xù)插補(bǔ)功能，通用運(yùn)動(dòng)控制器提供的多軸插補(bǔ)功能在數(shù)控機(jī)械行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，由於雕刻機(jī)市場(chǎng)，特別是模具雕刻機(jī)市場(chǎng)的快速發(fā)展，推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)控制器的連續(xù)插補(bǔ)功能的發(fā)展。在模具雕刻中存在大量的短小線段加工，要求段間加工速度波動(dòng)盡可能小，速度的變化的拐點(diǎn)要平滑過(guò)渡，這樣要求運(yùn)動(dòng)控制器由速度前瞻和連續(xù)插補(bǔ)的功能。固高科技公司推出了專門(mén)應(yīng)用於小線段加工工藝的連續(xù)插補(bǔ)型運(yùn)動(dòng)控制器，該控制器在模具雕刻、鐳射雕刻、平面切割等領(lǐng)域獲得了良好的應(yīng)用。
第三為電子齒輪與電子凸輪功能，這種功能不但可以大大地簡(jiǎn)化機(jī)械設(shè)計(jì)，而且可以實(shí)現(xiàn)許多機(jī)械齒輪與凸輪難以實(shí)現(xiàn)的功能。電子齒輪可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸按設(shè)定的齒輪比同步運(yùn)動(dòng)，這使得運(yùn)動(dòng)控制器在定長(zhǎng)剪切（fixed-length cutting）和無(wú)軸傳動(dòng)的套色印刷方面有很好的應(yīng)用。另外，電子齒輪功能還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以設(shè)定的齒輪比跟隨一個(gè)函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)由其他的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)決定；一個(gè)軸也可以以設(shè)定的比例跟隨其他兩個(gè)軸的合成速度。如工業(yè)縫紉機(jī)和絎縫機(jī)的應(yīng)用中，Z軸（縫線軸）可以跟隨XY 軸（移動(dòng)軸）的合成速度，從而使縫針腳距均勻。電子凸輪功能可以通過(guò)編程改變凸輪形狀，無(wú)需修磨機(jī)械凸輪，極大地簡(jiǎn)化了加工工藝。這個(gè)功能使運(yùn)動(dòng)控制器在機(jī)械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機(jī)驅(qū)動(dòng)彈簧機(jī)等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用。
第四為比較輸出功能，這是指在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，位置到達(dá)設(shè)定的座標(biāo)點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器輸出一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)量，而運(yùn)動(dòng)過(guò)程不受影響。如在AOI 的飛行檢測(cè)（Flyinginspection）中，運(yùn)動(dòng)控制器的比較輸出功能使系統(tǒng)運(yùn)行到設(shè)定的位置即啟動(dòng)CCD快速攝像，而運(yùn)動(dòng)並不受影響，這樣極大地提高了效率，改善了圖像品質(zhì)如鐳射雕刻應(yīng)用。
最後則是探針信號(hào)鎖存功能，此功能可以鎖存探針信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)刻，各運(yùn)動(dòng)軸的位置，其精度只與硬體電路相關(guān)，不受軟體和系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)慣性的影響，在CMM 測(cè)量行業(yè)有良好的應(yīng)用。
PC Based運(yùn)動(dòng)控制優(yōu)缺點(diǎn)
另外，越來(lái)越多的OEM 廠商希望將他們自己豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)整合到運(yùn)動(dòng)控制中去，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和控制物件，客製化設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器的功能。這種通用運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使通用運(yùn)動(dòng)控制器具有真正面向物件的開(kāi)放式控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)重構(gòu)能力，用戶可以將自己設(shè)計(jì)的控制演算法載入到運(yùn)動(dòng)控制器的記憶體中，而無(wú)需改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以重新構(gòu)造一個(gè)特殊用途的專用運(yùn)動(dòng)控制器，電腦標(biāo)準(zhǔn)匯流排的運(yùn)動(dòng)控制器未來(lái)仍是市場(chǎng)的主流，而網(wǎng)路型態(tài)的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)展更將備受重視。
基於電腦標(biāo)準(zhǔn)匯流排的通用運(yùn)動(dòng)控制器主要是板卡結(jié)構(gòu)，採(cǎi)用的匯流排大都為ISA、PCI。由於它們的應(yīng)用依附於通用PC 電腦平臺(tái)，從工業(yè)控制的角度分析，這種運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：
(1) 硬體組成簡(jiǎn)單，把運(yùn)動(dòng)控制器插入PC 匯流排，連接信號(hào)線就可組成系統(tǒng)。
(2) 可使用PC技術(shù)已經(jīng)具有的豐富軟體進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
(3) 運(yùn)動(dòng)控制軟體的代碼通用性和可攜性較好。
(4) 可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作的工程人員較多，不需要太多培訓(xùn)工作，就可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
缺點(diǎn)：
(1) 採(cǎi)用板卡結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器採(cǎi)用金手指連接，單邊固定，在多數(shù)環(huán)境較差的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（振動(dòng)，粉塵，油污嚴(yán)重），不適宜長(zhǎng)期工作。
(2) PC 資源浪擲。由於PC 多為整體式銷售，用戶實(shí)際上僅使用少部分PC 資源，未使用的PC 資源不但造成閒置和浪費(fèi)，還帶來(lái)維護(hù)上的麻煩。
(3) 整體可靠性難以保證，由於PC 的選擇可以是工控機(jī)，也可以是商用機(jī)。系統(tǒng)整合後，可靠性差異很大，並不是由運(yùn)動(dòng)控制器能保證的。
(4) 難以突出行業(yè)特點(diǎn)。不同行業(yè)、不同設(shè)備其控制面板均有不同的特色和個(gè)性。
嵌入式前景看俏
嵌入式PC 的運(yùn)動(dòng)控制器能夠克服以上缺點(diǎn)，會(huì)有較好的市場(chǎng)前景。由於SOM（system on module）和SOC（system on chip）技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式PC 運(yùn)動(dòng)控制器獲得良好發(fā)展。嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品可易於使用在PC 上開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，不加任何改動(dòng)就可以移植過(guò)來(lái)。對(duì)使用者來(lái)講，僅需開(kāi)發(fā)跟其具體專案有關(guān)、相對(duì)獨(dú)立的人機(jī)界面即可。由於嵌入式PC 的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)具有標(biāo)準(zhǔn)PC 的介面功能，用戶不需要再購(gòu)買工業(yè)PC 就可組成所需系統(tǒng)，這種嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器既提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，有時(shí)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔和高度整合化。
隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)路匯流排技術(shù)的發(fā)展，基於網(wǎng)路的運(yùn)動(dòng)控制器獲得了極大的發(fā)展，並已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用於多軸同步控制中。越來(lái)越多的傳統(tǒng)的以機(jī)械軸同步的系統(tǒng)開(kāi)始採(cǎi)用網(wǎng)路運(yùn)動(dòng)控制器控制的電機(jī)軸控制，這樣可以減少系統(tǒng)地維護(hù)和增加系統(tǒng)的彈性。
因應(yīng)不同特殊市場(chǎng)需求，一些其他的專用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也會(huì)越來(lái)越多。例如圖像伺服控制的專用運(yùn)動(dòng)控制器，力伺服的專用運(yùn)動(dòng)控制器等，根據(jù)用戶的應(yīng)用要求進(jìn)行客製化的重構(gòu)，設(shè)計(jì)出客製化運(yùn)動(dòng)控制器將成為市場(chǎng)應(yīng)用的一大方向。一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)指令有運(yùn)動(dòng)控制器給出，因此運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的靈魂。使用者必需使用通用運(yùn)動(dòng)控制器提供的標(biāo)準(zhǔn)功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，根據(jù)自己的應(yīng)用系統(tǒng)的工藝條件，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制器的相關(guān)功能，開(kāi)發(fā)出整合自己的工藝特點(diǎn)和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)，用戶還需要瞭解構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的其他部件，必須保證機(jī)械系統(tǒng)的完備，才能整合出高品質(zhì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
運(yùn)動(dòng)控制核心技術(shù)
運(yùn)動(dòng)控制可分為幾種技術(shù)包括ASIC-Based、DSP-Based、串列控制技術(shù)，ASIC-Based是特殊用途積體電路或?qū)Ｓ梅e體電路。許多運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)採(cǎi)用具有運(yùn)動(dòng)功能的ASIC，來(lái)達(dá)到低階或是高階的運(yùn)動(dòng)控制。通常ASIC已經(jīng)由晶片開(kāi)發(fā)廠商經(jīng)過(guò)一連串測(cè)試與市場(chǎng)洗鍊，所以穩(wěn)定度與功能的驗(yàn)證高，整體的指令集執(zhí)行速度快，但是，缺乏可程式化能力，所以相較於DSP的運(yùn)動(dòng)控制卡，無(wú)擴(kuò)充能力，亦無(wú)法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)同步的運(yùn)動(dòng)控制。ASIC-based的運(yùn)動(dòng)控制一般適合用於步進(jìn)馬達(dá)、線性馬達(dá)及伺服馬達(dá)等的非同步運(yùn)動(dòng)軌跡控制。
