运动控制系统设计的两种控制结构解析

运动控制往往是针对产品而言的，包含机械、软件、电气等模块，例如机器人、无人机、运动平台等等，是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动的一种控制。在运动控制系统的设计中，主要使用了两种控制结构：集中式和分布式。

高速、低成本的数字控制网络的引入，为建造分布式控制系统提供了新的选择。随着具有更高功率、更紧凑的开关放大器的出现，集中化设计使得在同一块印刷威廉希尔官方网站 板上可以布置的控制器数量正在逐步增加。

了解这些技术发展趋势，有助于解释如何以及在什么时候，应用这两种不同的控制结构。

运动控制应用的类型

集中式还是分布式，哪种控制方式更合适：应用控制问题的特性对其具有决定性的影响。

在平面运动控制应用领域，马达的控制或多或少的由集中式PC或控制器完成；也有一些分层应用领域，运动轴被分成2、3组或者更多的功能轴；也有一些单机应用的场合，机床控制器的运行在很大程度上没有与网络连接，不依赖网络的监视。

平面运动控制的例子：具有多个转轴的印刷机，它的转轴受伺服控制器的控制。在这里，时间是关键因素。主控制器，通常是PC或者是PLC，必须同步驱动所有的轴。典型的指令为：“移动轴#1到位置X，移动轴#2到位置Y”等等。

分级运动控制应用的例子：半导体晶圆处理系统，该系统具有一个主机器人（4轴）、晶圆定位器（3轴）和一个阀门控制器（1或2轴）。在这种结构下，网络一般将就地机器人或者阀门控制器连接至中心网络，但是实际的运动控制由就地机器人、晶圆定位器或者阀门完成。总的机器控制器不会发出类似“将机器轴#2移动到位置12345”的指令，而是给出诸如“伸展机械臂”的指令，该指令由就地机器人控制器来解释和执行。

单机应用的例子：磁带存档系统，该系统允许操作人员走近控制台，要求检索特定的磁带。这些单机控制器，能够执行一揽子的机械臂运动，该运动基于就地人员发出的指令，如“检索磁带#1234”。在该应用中，如果连接了网络，那只是用其实现报告和监视功能，并不是用于控制本身。

增加分布式运动驱动器

了解哪些实际设备可以用于运动控制系统同样十分重要。两个可用的设备是：分布式驱动器和运动控制卡。尽管这些设备有很多不同的变体，但是归纳起来，它们都是上述两种设备中的一种。

分布式运动控制器驱动器，有时也被称为智能放大器，通过网络与中心主机通讯，提供一套运动控制功能，比如产生轮廓、回路闭合或者是放大功能。

根据应用的不同，有两种分布式驱动可供使用。第一种，可称之为紧耦合驱动，应用诸如SERCOS、EtherCAT、或EthernetPOWERLINK等高速、确定性的网络。第二种，可称之为松耦合驱动，使用诸如以太网协议、CAN总线和RS485等低速网络。

紧耦合驱动需要使用运动卡或者通过PC运行专用软件，来同步和协调各个轴的运动。每个驱动器可接收位置和速度的更新信息，其更新速率可达每秒钟数千次。松耦合驱动也是由主机控制，但是驱动器承担更强大的仿形切削，同时也具有更大的延迟。将类似于“利用点到点S型曲线，将轴移动到位置X”的指令，发送给每个驱动器。这些驱动器内的交互倾向于自动化，利用就地传感器的输入来启动或停止运动。

运动控制卡

运动控制卡是分布式驱动最主要的替代品。主要区别是：运动控制卡通过背板总线与分散的主板或处理器卡连接起来。但是在这里，我们将单机单卡控制器和背板运动控制卡称为机器控制器卡。

在运动控制器方案中，微处理器中有应用代码，运动控制器IC（运动处理器）用于产生轮廓、伺服回路闭合以及管理轴控制中的对时间要求比较严格的元素。机器应用的微处理器和运动处理器可以为同一个，尤其是对那些简单的控制应用而言。机器控制器卡的优势之一是可维护性更好，这是因为维修整个控制器卡，就是更换卡件。由于放大器布置在卡件上，接线也减少了。还可根据实际应用对卡件的实体尺寸以及接头进行裁剪。

运动控制卡有两种不同的类型：成品的和客户定制的。成品卡，尤其是总线连接的运动卡，存在已经很长时间了，有很多供应商可供选择。客户定制卡，尽管需要更多的设计工作，也是一种很好的选择。有个重要的发展趋势就是将放大器（IC或者基于模块的）集成到卡件上。另外一个趋势是利用基于IC的成品运动控制器，提供轮廓产生、伺服回路闭合、通讯以及时间关键功能，比如自动安全响应、程控中断以及其它类型的自动运动轴管理。

编辑：黄飞