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運動控制吹起整合風
 

【作者: 王明德】   2014年07月21日 星期一

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運動控制技術這幾年發展迅速,從以單晶片或微處理器作為核心的運動控制器和以專用晶片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器,發展到了基於PC匯流排的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。運動控制技術也由面向傳統的數控加工行業專用運動控制技術而發展為具有開放結構、能結合具體應用要求而快速重組的先進運動控制技術。


圖一
圖一

基於網路的開放式結構和嵌入式結構的通用運動控制器,逐步成為自動化控制領域裏的主導產品之一。高速、高精度始終是運動控制技術追求的目標。充分利用DSP的計算能力,進行複雜的運動規劃、高速即時多軸插補、誤差補償和更複雜的運動學、動力學計算,使得運動控制精度更高、速度更快、運動更加平穩;充分利用DSP和FPGA技術,使系統的結構更加開放,根據用戶的應用要求進行客制化的重組,設計出個性化的運動控制器將成為市場應用的兩大方向。


運動控制發展現狀


運動控制起源於早期的伺服控制(Servomechanism)。簡單地說,運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行即時的控制管理,使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動。早期的運動控制技術主要是伴隨著數控(CNC)技術、機器人技術(Robotics)和工廠自動化技術的發展而發展的。早期的運動控制器實際上是可以獨立運行的專用的控制器,往往無需另外的處理器和作業系統支援,可以獨立完成運動控制功能、工藝技術要求的其他功能和人機交互功能。這類控制器可以成為獨立運行(Stand-alone)的運動控制器。


這類控制器主要針對專門的數控機械和其他自動化設備而設計,往往已根據應用行業的工藝要求設計了相關的功能,用戶只需要按照其協議要求編寫應用加工代碼檔,利用RS232或者DNC方式傳輸到控制器,控制器即可完成相關的動作。這類控制器往往不能離開其特定的工藝要求而跨行業應用,控制器的開放性僅僅依賴於控制器的加工代碼協定,用戶不能根據應用要求而重組自己的運動控制系統。通用運動控制器的發展成為市場的必然需求。


市場洞開 運動控制更上層樓


由國家組織的開放式運動控制系統的研究始於1987年,美國空軍在美國政府資助下發表了著的“NGC(下一代控制器)研究計畫”,該計畫首先提出了開放體系結構控制器的概念,這個計畫的重要內容之一便是提出了“開放系統體系結構標準規格(OSACA)”。自1996年開始,美國幾個大型科研機構對NGC計畫分別發表了相應的研究內容,如在美國海軍支持下,美國國際標準研究院提出了“EMC(增強型機床控制器)”;由美國通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司提出和研製了“OMAC(開放式、模組化體系結構控制器)”,其目的是用更開放、更加模組化的控制結構使製造系統更加具有柔性、更加敏捷。該計畫啟動後不久便公佈了一個名為“OMACAPT”的規範,並促成了一系列相關研究專案的運行。


通用運動控制技術作為自動化技術的一個重要分支,在20世紀,先進國家如美國進入快速發展階段,在強勁市場需求的推動下,通用運動控制技術發展迅速,應用廣泛。近年來,隨著通用運動控制技術的不斷進步和完善,通用運動控制器作為一個獨立的工業自動化控制類產品,已經被越來越多的產業領域接受,市場規模也越來越大。


通用用動控制三大類


目前,通用運動控制器從結構上主要分為如下三大類:首先是基於電腦標準匯流排的運動控制器,它是把具有開放體系結構,獨立於電腦的運動控制器與電腦相結合構成。這種運動控制器大都採用DSP或微機晶片作為CPU,可完成運動規劃、高速即時插補、伺服濾波控制和伺服驅動、外部I/O之間的標準化通用介面功能,它開放的函數庫可供用戶根據不同的需求,在DOS或WINDOWS等平台下自行開發應用軟體,組成各種控制系統,目前這種運動控制器是市場上的主流產品。


其次是Soft型開放式運動控制器,它提供給用戶最大的靈活性,它的運動控制軟體全部裝在電腦中,而硬體部分僅是電腦與伺服驅動和外部I/O之間的標準化通用介面。就像電腦中可以安裝各種品牌的音效卡、CDROM和相應的驅動程式一樣。用戶可以在WINDOWS平台和其他作業系統的支援下,利用開放的運動控制內核,開發所需的控制功能,構成各種類型的高性能運動控制系統,從而提供給用戶更多的選擇和靈活性,Soft型開放式運動控制的特點是開發、製造成本相對較低,能夠給予系統集成商和開發商更加個性化的開發平台。


第三種則是嵌入式結構的運動控制器,這種運動控制器是把電腦嵌入到運動控制器中的一種產品,它能夠獨立運行。運動控制器與電腦之間的通信依然是靠電腦匯流排,實質上是基於匯流排結構的運動控制器的一種變種。對於標準匯流排的電腦模組,這種產品採用了更加可靠的匯流排連接方式,更加適合工業應用。在使用中,採用如工業乙太網路、RS-485、SERCOS、PROFIBUS等現場網路通信介面聯接上級計算機或控制面板。嵌入式的運動控制器也可配置軟碟和硬碟驅動器,甚至可以通過Internet進行遠端診斷,但從整體來說這些系統是數控系統,不是獨立的開放式運動控制器產品,就全球市場來看,目前中國大陸是世界上經濟發展最快的國家,市場上新設備的控制需求、傳統設備技術升級、換代對運動控制器的市場需求越來越大,另外由於市場日益競爭的壓力,系統整合商和設備製造商要求運動控制系統向開放式方向發展。


除了硬體技術外,軟體也是運動控制廠商積極投入的部份,運動控制其實是一種整合,一種機械與電機、控制器與驅動程式、機台與軟體之間整合,如何讓傳統PLC的使用者更方便快速的接受新一代控制器的概念,並且降低進入門檻,將會是運動控制廠商必須正視的問題。


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