运动控制的基础

概览

几乎所有的自动设施——从工业机器到医疗设备——其组件如何移动都必须按照控制方式执行。移动负载最常见的方法就是使用一些电机元件如电动机。我们来学习如何控制基于电动机的系统，并探究NI公司所提供的各种不同的机器控制解决方案。

运动控制需求

在工业和医疗领域中，最常见的电动机就是步进式、有刷式以及无刷式直流电动机，但是其实还有一些其它类型的电动机。每种电动机都需要有独立的输入信号来激励电动机，然后将电能转换成机械能。在最广义的意义上，运动控制可以帮助你使用电动机(最大程度上满足你的应用需求)，而无需考虑所有激励电机所需的低层次的激励信号。

另外，运动控制还具备一些高级功能，因此可以基于模块搭建高效地实现指定的应用，为一些常规任务提供解决方案，如精准定位、多轴同步，以及指定速度、加速度和减速度的运动等等。

因为大多电动机的工作环境都是瞬时的，所以运动控制工具必须能够适应不同负载和动态条件，而这则需要一些复杂的控制处理算法和机械系统的反馈信息。最后(但并不是最不重要的)，运动控制的任务一般都比较严格，而且通常其所操控的机器还可能会伤及到周围的人。因此，运动控制中必须具备一些安全特征，如限位开关(limit switch)和I/O通道，用以收集状态信息并执行停止程序。

运动控制系统的组件

下图描述了运动控制系统的基本组成部分。

图1. 运动控制器是运动控制系统的核心。

你所开发的应用软件便是你应用程序中的特定部分。应用软件定义了运动配置文件，以及特定事件触发并影响配置文件的方式。应用软件由好几个可选的层次构成。通常来说都包含一个用户界面程序，用以实现交互式操作。很多运动控制应用都包含应用层，实现警报处理和数据库连接性(连接到一个SCADA系统)。它们还通常包含由运动控制器执行的运动控制指令。运动控制器的制造商提供了应用软件的开发环境。

根据上述内容，运动控制器创建运动配置文件。根据这些配置文件，控制器将信号(通常是±10 V，或者步进信号与方向信号)通过放大器或者电动机驱动传到电动机。放大器的任务就是从控制器接收信号，然后将它们变成可以驱动电动机转动的信号。

随着电动机运转，反馈设备——通常是位置传感器——会将位置信息反向传递至控制器，构成闭环控制环。运动控制器通过位置传感器获取电动机的位置信息，从而推算出电动机的移动速度。有些应用中需要有多个反馈设备，以保证该电动机所驱动的机械系统能够正确运行。虽然反馈设备提供了位置信息，但有时还需要向控制器传递一些特殊的反馈信息，譬如压力传感器或者震动传感器的数据。

运动控制器的架构

运动控制器就像是运动控制系统的大脑，它要计算每个预定运动轨迹。该任务非常重要，因此它需要一个专门的资源以保证高度的确定性。运动控制器利用其所计算出来的运动轨迹来决定合适的扭矩命令，然后将其发送至电动机放大器，才真正产生运动。控制器还必须通过监测限制条件和紧急制动条件，来关闭控制环并处理监控(supervisory control)，从而保证安全操作。这些操作都必须实时实现，以确保有效运动控制系统所必需的高度可靠性、确定性、稳定性和安全性。

图2.运动控制器架构

下面描述运动控制器的各种不同任务。

监控 – 提供了执行特定操作所需的命令顺序安排和协调。这些特殊操作包括：

• 系统初始化，其中包括返回到零位置。
• 事件处理，其中包括：电子传动，基于位置信息的触发输出，基于用户定义事件的配置文件更新。
• 故障检测，其中包括：遇到限位开关停止运动，遇到紧急制动或者驱动故障、看门狗等时的安全系统反应。

轨迹发生器 – 根据用户定义的配置文件进行路径规划。

控制环 – 执行快速的闭环控制，在单轴/多轴上同步维持位置、速度和轨迹。控制环根据反馈信息来处理位置/速度环的关闭，并决定系统的响应和稳定性。在步进式系统中，由步进发生组件构成控制环。该控制环包含一个插值组件或者样条引擎(spline engine)，在轨迹发生器所计算出的两个设置点之间进行插值。这样，控制环的执行速度就会快于轨迹发生器。图2描述了NI运动控制器的功能架构。

运动I/O – 作为模拟和数字I/O，发送并接受来自于运动控制系统其余部分的信号。一般来说，模拟输出用作驱动的命令信号，数字I/O则用于正交编码信号，作为电动机的反馈信号。运动I/O实现位置断点和高速捕获。同样，监控也使用运动I/O来实现必需的特定功能，如响应限位开关、生成初始化系统所需的运动模式等等。

NI公司提供了两种实现高性能运动控制系统的方式：

• 针对PCI或者PXI的基于DSP的插件式运动控制器
• 采用NI LabVIEW NI SoftMotion Module的定制化运动控制器

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图3. 基于DSP的插件式运动控制器

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图4. 采用LabVIEW NI SoftMotion Module的定制化运动控制器

基于DSP的插件式运动控制器

NI公司所提供的插件式运动控制器覆盖了很大范围——从针对复杂需求的全功能、高性能的控制器，到针对点对点运动应用的低成本、性能稳定的运动控制器。针对高精度应用，为了实现最高30kHz的快速伺服更新速率，这些控制器采用了一种双处理器架构。这两个处理器，一个是中央处理单元即CPU，一个是信号处理器即DSP，两者一起构成了NI运动控制器的支柱。

控制器CPU是一块32bit的微控制器，它运行多任务的嵌入式实时操作系统，解决了大多复杂运动控制应用中所必需的性能和确定性方面的要求。该CPU的主要任务有命令执行、主机同步、I/O反应和系统监督。

DSP的主要职责则是实现快速的闭环控制，在多轴上同步维护位置、速度和轨迹。它也关闭位置环和速度环，并直接发指令使扭矩传至驱动器或者放大器。运动I/O是以硬件形式实现在非定制化的FPGA(现场可编程逻辑阵列)上，它包含有限位/引导开关检测(limit/home switch detection)、位置断点和高速捕获。这保证了断点和高速捕获的延时非常短，延时范围大约在几百纳秒。

运动控制处理器采用看门狗定时器硬件监测。看门狗定时器可以用来自动检测软件异常，如果有异常发生则会自动重置处理器。该看门狗定时器检查处理器是否正常运行。如果运动控制器上的固件无法在62ms内处理事件，则看门狗定时器将重置运动控制器，并不允许进一步通信直至你明确地重置了运动控制器。这保证了运动控制系统的实时操作性。

这些基于PCI或者PXI的插件式运动设备是设计用于实现Windows或者实时操作系统中的可靠、精确控制。它们借助于强大的API，并支持诸如NI运动控制器之类交互式工具，从而降低了开发时间。NI 7350系列是NI公司性能最好的运动控制器家族，它们提供了最高8轴的步进式或伺服式运动控制、额外I/O以及很多强大的功能，包括无刷式电动机的正弦换向、高速集成中的4MHz的周期性断点和位置触发。因为这些插件式运动控制器设备都是基于PCI或者PXI的，所以你可以将它们与多种多样的额外I/O模块集成到一起，并方便地将它们与其它硬件结合在一起，实现数据采集或者图像处理。至于如何将运动控制设备连接至驱动器和电动机，NI提供了好几种电缆和连接块选项。

定制化运动控制器

虽然采用DSP的插件式运动控制器适用于很多应用场合，但是你也需要一些定制化的运动控制器以实现高精度的运动控制，其伺服更新速率最高可达200kHz。这些要求如此高精度和高灵活性的应用有：半导体行业中的晶圆加工设备，汽车行业中的可在运行时重新配置的内联汽车测序(ILVS)流水线。

对于那些要求高精度的定制化(基于灵活的FPGA)运动控制的机器设计者们而言，NI可重新配置I/O技术(RIO)和NI SoftMotion技术一起提供了理想的工具。除了高精度应用外，机器设计者和OEM(原始设备制造商)们还可以使用LabVIEW NI SoftMotion模块，借助于各种平台上的LabVIEW图像化开发环境，来实现多轴协调的运动控制。有些应用需要坚固、紧凑的系统，则可以使用NI CompactRIO可编程自动控制器(PAC)。将LabVIEW NI SoftMotion中的高级功能块API和NI的C系列新型驱动接口组合一起，可以快速开发出强大的运动应用，并应用于大量的步进式或伺服式驱动。