运动控制技术及应用研究
日期：2008-12-8 21:14:24 来源：中国自动化网
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一、运动控制系统概述
现代运动控制是一个综合性、多学科交叉的研究领域
·电力电子学
·微电子技术
·计算机技术
·控制理论
·系统仿真与辅助设计
·网络与通信
运动控制系统向数字化、网络化发展
以微电子技术、通信技术、计算机技术的发展为契机，在数控技术需求的推动下，现代运动控制系统的面貌发生了巨大变化。具体体现在：
–高度集成化、模块化。硬件结构简单且趋于标准化。功能软件化、柔性化；
–系统信息存储、监控及诊断、分级控制、远程控制、挂网运行等已成为现实；
–性能优越的各种智能控制算法具备了现实基础。
–系统不再局限于一个被控电机和一个调节器，随着被控对象多元化和生产工艺复杂化，众多控制单元必须互相配合、协调运行。
现代运动控制系统的构成主要有两种形式：
–基于PC的伺服控制系统
–基于以太网的伺服控制系统
从系统构成来看，主要有以下部分：
–PC机/网络
–运动控制器
–伺服驱动器
–其他，如基本I/O、传感器、总线接口、通信接口等
1）PC机/网络
PC机（或网络）作为上位机，其主要功能是依据生产机械加工要求给出加工轨迹指令。运动控制器则接收来自PC机的指令，完成具体功能。如将上位机来的指令转化为伺服驱动器的运动，完成多轴复合控制任务时，要完成多输入多输出，以及各轴之间的协调控制。
2）运动控制器
运动控制器是实现运动控制的一个基础平台。开放式运动控制器大多采用高速信号处理器DSP作为CPU，使其具有强大的运动控制和逻辑处理能力。它是上位机和驱动器之间的桥梁。
3）伺服驱动器
伺服驱动器是运动控制系统中的执行机构，以实现快速、精确跟踪为主要任务，要求其输出能以一定精度复现输入量的变化。从控制方式上，以执行电机来分，可分为：
–永磁直流伺服电机驱动器。它的优点是控制相对比较简单，具有高功率密度。缺点是有整流器，不适用于高速、大转矩场合，经常需要维护，已逐渐被交流伺服所替代。
–永磁同步伺服电机驱动系统。永磁同步电机体积小，重量轻，输出转矩大，功率密度高，无需维护。缺点是伺服电机与控制装置一一对应。目前很多控制装置在软件中都附加了自动寻找磁极位置的功能，弱磁相对困难。
–异步伺服电机系统。优点是能高速运行，大转矩输出，高速时较容易实现恒功率输出，耐环境能力强，坚固耐用。缺点是控制较复杂，效率比永磁伺服电机低，参数变化可引起磁场定向不准，影响性能。
二、运动控制器
运动控制器的开发与应用可以缩短新产品的开发周期，将是未来数控系统的核心部件。
实现开放性、互换性、可移植性以及可扩展性是开放式运动控制技术的主要研究内容。
1、结构形式
–根据控制对象，分为步进电机型、DC直流伺服型和交流伺服型。目前研究的运动控制器趋向统一结构，即一种硬件适用于多种伺服电机系统；
–根据总线形式，分为ISA接口、PCI接口、CAN总线、RS232/RS485等；
–总体结构上分为PC插卡式和网络式。
·基于PC的运动控制器
基于PC的运动控制器通常采用DSP和FPGA作为核心处理器。具有高速数据处理能力的数字信号处理器DSP能很好地完成伺服控制算法、多轴协调控制的运动轨迹规划，以及误差补偿等闭环控制功能。大规模现场可编程阵列（FPGA）具有超强的逻辑处理能力，适应不同应用系统的接口要求，是一种开放性良好的运动控制器结构，通过ISA或PCI与PC机相连。
图1
·基于以太网的运动控制器
运动控制技术与网络技术相结合，在国内研究还处于起步阶段。网络技术的引入使大范围的运动协调控制成为可能，便于实现集中的分布式控制，便于将运动控制系统集成至车间、厂级ERP，使系统更加有效工作。
需要研究的问题是网络环境下驱动控制关键技术，如高速、高精伺服实现，多轴伺服参数自调整绝对同步的实现。需要解决包括变传输周期、网络诱导时延、数据包丢失、同步等关键技术。
2、运动控制器的功能
·运动轨迹规划功能。能接收上位机来的指令，通过运算形成实际运动的位置、速度跟踪，加速度跟踪以及限制的方法以优化动态过程；
·软件上配备有完善的伺服控制功能；
·完善的运动轨迹插补功能；
·电子齿轮输入、输出功能和方便与机床和机器人等设备联接的接口设备；
·能迅速建立高层应用程序与机床或其他设备之间的控制及测试数据交换；
·伺服控制策略。智能控制、参数辨识以实现柔性伺服。
基于DSP+FPGA的开放式伺服与主轴统一控制平台研发
图2 平台结构框图
·平台的特点
–伺服与主轴硬件一体化设计
–控制方案：DC有刷电机、DC无刷电机、AC无刷电机（PMSM）、AC感应电机
–通信通道：RS232/RS485、CAN、并行I/O
–柔性结构可以实现位置控制、速度控制和力矩控制
·基于平台的大容量高速主轴伺服控制开发
–针对中大容量高速主轴解决制动能量吸收及实现技术，这是主轴伺服大容量化和系列化的关键技术。
–实现方案有两种：其一是AC/DC、DC/AC解耦控制。其二是CIS整流/逆变一体化控制。
–基本出发点，以能量平衡为出发点，即用多少取多少，减少存储，以此为基础把逆变器电机部分（VSIM）看作直流电源即整流器（VSM）的负载，设计控制规律，使电网输入功率跟随负载功率变化，达到用需平衡。
1）VSIM输入功率估计
由异步电机矢量控制系统，如图3所示。
根据 Akagi 瞬时无功功率理论，设Pinv为电机输入有功功率Pma和损耗功率Ploss之和，则依图3有
根据同步旋转坐标系下的VSIM模型和定义瞬时无功功率 可以导出逆变电机部分的输入功率的迭代形式
2）变换器损耗估计
可以依据功率模块制造商提供的数据进行估算。
3）整流部分（VSR）瞬时功率估计
图4 VSR控制结构图
在同步旋转坐标系下，电网输入到VSR的瞬时有功功率采用电压、电流双闭环控制时，可以表示为
4）基于补偿法的一体化控制方案
图5 补偿法的一种实现
基于以太网的运动控制器
图6 基于以太网的运动控制器结构图
·子功能模块
–DSP最小系统模块
由DSP本身以及晶体振荡器、复位电路、译码电路等组成
–以太网接口模块
充分利用DSP的有限资源，实现了简化的TCP/IP协议栈
–PCI接口模块
采用专用桥接芯片PCI2040，可提供与DSP的无缝联接。实现了Windows、VxWorks下的驱动支持
–USB接口模块
作为PCI接口的补充，必要时可采用双通讯机制
–RS422收发模块
可满足远程要求的串口通讯模块
–模拟量、脉冲量和开关量的接口模块
通过CPLD编程实现逻辑和信息/能量转换
–人机交互接口模块
液晶显示、键盘等
·功能特点
–高速实时信息接口，能接收多路传感器信号，并具有信息融合功能；
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
现代运动控制是一个综合性、多学科交叉的研究领域
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·电力电子学
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·微电子技术
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·计算机技术
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·控制理论
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·网络与通信
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运动控制系统向数字化、网络化发展
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以微电子技术、通信技术、计算机技术的发展为契机，在数控技术需求的推动下，现代运动控制系统的面貌发生了巨大变化。具体体现在：
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–高度集成化、模块化。硬件结构简单且趋于标准化。功能软件化、柔性化；
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–系统信息存储、监控及诊断、分级控制、远程控制、挂网运行等已成为现实；
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–性能优越的各种智能控制算法具备了现实基础。
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–系统不再局限于一个被控电机和一个调节器，随着被控对象多元化和生产工艺复杂化，众多控制单元必须互相配合、协调运行。
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现代运动控制系统的构成主要有两种形式：
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
–基于PC的伺服控制系统
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
–基于以太网的伺服控制系统
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从系统构成来看，主要有以下部分：
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–PC机/网络
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–运动控制器
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
–伺服驱动器
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–其他，如基本I/O、传感器、总线接口、通信接口等
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1）PC机/网络
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PC机（或网络）作为上位机，其主要功能是依据生产机械加工要求给出加工轨迹指令。运动控制器则接收来自PC机的指令，完成具体功能。如将上位机来的指令转化为伺服驱动器的运动，完成多轴复合控制任务时，要完成多输入多输出，以及各轴之间的协调控制。
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2）运动控制器
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运动控制器是实现运动控制的一个基础平台。开放式运动控制器大多采用高速信号处理器DSP作为CPU，使其具有强大的运动控制和逻辑处理能力。它是上位机和驱动器之间的桥梁。
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3）伺服驱动器
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伺服驱动器是运动控制系统中的执行机构，以实现快速、精确跟踪为主要任务，要求其输出能以一定精度复现输入量的变化。从控制方式上，以执行电机来分，可分为：
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–永磁直流伺服电机驱动器。它的优点是控制相对比较简单，具有高功率密度。缺点是有整流器，不适用于高速、大转矩场合，经常需要维护，已逐渐被交流伺服所替代。
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–永磁同步伺服电机驱动系统。永磁同步电机体积小，重量轻，输出转矩大，功率密度高，无需维护。缺点是伺服电机与控制装置一一对应。目前很多控制装置在软件中都附加了自动寻找磁极位置的功能，弱磁相对困难。
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–异步伺服电机系统。优点是能高速运行，大转矩输出，高速时较容易实现恒功率输出，耐环境能力强，坚固耐用。缺点是控制较复杂，效率比永磁伺服电机低，参数变化可引起磁场定向不准，影响性能。
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二、运动控制器
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
运动控制器的开发与应用可以缩短新产品的开发周期，将是未来数控系统的核心部件。
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
实现开放性、互换性、可移植性以及可扩展性是开放式运动控制技术的主要研究内容。
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
1、结构形式
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–根据控制对象，分为步进电机型、DC直流伺服型和交流伺服型。目前研究的运动控制器趋向统一结构，即一种硬件适用于多种伺服电机系统；
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–根据总线形式，分为ISA接口、PCI接口、CAN总线、RS232/RS485等；
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–总体结构上分为PC插卡式和网络式。
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·基于PC的运动控制器
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基于PC的运动控制器通常采用DSP和FPGA作为核心处理器。具有高速数据处理能力的数字信号处理器DSP能很好地完成伺服控制算法、多轴协调控制的运动轨迹规划，以及误差补偿等闭环控制功能。大规模现场可编程阵列（FPGA）具有超强的逻辑处理能力，适应不同应用系统的接口要求，是一种开放性良好的运动控制器结构，通过ISA或PCI与PC机相连。
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图1
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·基于以太网的运动控制器
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运动控制技术与网络技术相结合，在国内研究还处于起步阶段。网络技术的引入使大范围的运动协调控制成为可能，便于实现集中的分布式控制，便于将运动控制系统集成至车间、厂级ERP，使系统更加有效工作。
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需要研究的问题是网络环境下驱动控制关键技术，如高速、高精伺服实现，多轴伺服参数自调整绝对同步的实现。需要解决包括变传输周期、网络诱导时延、数据包丢失、同步等关键技术。
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2、运动控制器的功能
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·运动轨迹规划功能。能接收上位机来的指令，通过运算形成实际运动的位置、速度跟踪，加速度跟踪以及限制的方法以优化动态过程；
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·软件上配备有完善的伺服控制功能；
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·完善的运动轨迹插补功能；
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·电子齿轮输入、输出功能和方便与机床和机器人等设备联接的接口设备；
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·能迅速建立高层应用程序与机床或其他设备之间的控制及测试数据交换；
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·伺服控制策略。智能控制、参数辨识以实现柔性伺服。
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基于DSP+FPGA的开放式伺服与主轴统一控制平台研发
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图2 平台结构框图
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·平台的特点
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–伺服与主轴硬件一体化设计
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–控制方案：DC有刷电机、DC无刷电机、AC无刷电机（PMSM）、AC感应电机
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–通信通道：RS232/RS485、CAN、并行I/O
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–柔性结构可以实现位置控制、速度控制和力矩控制
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·基于平台的大容量高速主轴伺服控制开发
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–针对中大容量高速主轴解决制动能量吸收及实现技术，这是主轴伺服大容量化和系列化的关键技术。
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–实现方案有两种：其一是AC/DC、DC/AC解耦控制。其二是CIS整流/逆变一体化控制。
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–基本出发点，以能量平衡为出发点，即用多少取多少，减少存储，以此为基础把逆变器电机部分（VSIM）看作直流电源即整流器（VSM）的负载，设计控制规律，使电网输入功率跟随负载功率变化，达到用需平衡。
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1）VSIM输入功率估计
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由异步电机矢量控制系统，如图3所示。
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根据同步旋转坐标系下的VSIM模型和定义瞬时无功功率 可以导出逆变电机部分的输入功率的迭代形式
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2）变换器损耗估计
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3）整流部分（VSR）瞬时功率估计
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图4 VSR控制结构图
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在同步旋转坐标系下，电网输入到VSR的瞬时有功功率采用电压、电流双闭环控制时，可以表示为
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4）基于补偿法的一体化控制方案
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图5 补偿法的一种实现
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基于以太网的运动控制器
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图6 基于以太网的运动控制器结构图
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·子功能模块
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–DSP最小系统模块
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由DSP本身以及晶体振荡器、复位电路、译码电路等组成
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–以太网接口模块
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充分利用DSP的有限资源，实现了简化的TCP/IP协议栈
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–USB接口模块
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作为PCI接口的补充，必要时可采用双通讯机制
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可满足远程要求的串口通讯模块
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通过CPLD编程实现逻辑和信息/能量转换
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–人机交互接口模块
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·功能特点
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–高速实时信息接口，能接收多路传感器信号，并具有信息融合功能；
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