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      關于運動控制系統你知道多少?
      2022-02-24

      運動控制往往是針對產品而言的,包含機械、軟件、電氣等模塊,例如機器人、無人機、運動平臺等等,是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理,使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動的一種控制。在運動控制系統的設計中,主要使用了兩種控制結構:集中式和分布式。



      高速、低成本的數字控制網絡的引入,為建造分布式控制系統提供了新的選擇。隨著具有更高功率、更緊湊的開關放大器的出現,集中化設計使得在同一塊印刷電路板上可以布置的控制器數量正在逐步增加。

      了解這些技術發展趨勢,有助于解釋如何以及在什么時候,應用這兩種不同的控制結構。



      運動控制應用的類型


      集中式還是分布式,哪種控制方式更合適:應用控制問題的特性對其具有決定性的影響。


      在平面運動控制應用領域,馬達的控制或多或少的由集中式PC或控制器完成;也有一些分層應用領域,運動軸被分成2、3組或者更多的功能軸;也有一些單機應用的場合,機床控制器的運行在很大程度上沒有與網絡連接,不依賴網絡的監視。


      平面運動控制的例子:具有多個轉軸的印刷機,它的轉軸受伺服控制器的控制。在這里,時間是關鍵因素。主控制器,通常是PC或者是PLC,必須同步驅動所有的軸。典型的指令為:“移動軸#1到位置X,移動軸#2到位置Y”等等。


      分級運動控制應用的例子:半導體晶圓處理系統,該系統具有一個主機器人(4軸)、晶圓定位器(3軸)和一個閥門控制器(1或2軸)。在這種結構下,網絡一般將就地機器人或者閥門控制器連接至中心網絡,但是實際的運動控制由就地機器人、晶圓定位器或者閥門完成??偟臋C器控制器不會發出類似“將機器軸#2移動到位置12345”的指令,而是給出諸如“伸展機械臂”的指令,該指令由就地機器人控制器來解釋和執行。


      單機應用的例子:磁帶存檔系統,該系統允許操作人員走近控制臺,要求檢索特定的磁帶。這些單機控制器,能夠執行一攬子的機械臂運動,該運動基于就地人員發出的指令,如“檢索磁帶#1234”。在該應用中,如果連接了網絡,那只是用其實現報告和監視功能,并不是用于控制本身。


      增加分布式運動驅動器


      了解哪些實際設備可以用于運動控制系統同樣十分重要。兩個可用的設備是:分布式驅動器和運動控制卡。盡管這些設備有很多不同的變體,但是歸納起來,它們都是上述兩種設備中的一種。

      分布式運動控制器驅動器,有時也被稱為智能放大器,通過網絡與中心主機通訊,提供一套運動控制功能,比如產生輪廓、回路閉合或者是放大功能。

      根據應用的不同,有兩種分布式驅動可供使用。第一種,可稱之為緊耦合驅動,應用諸如SERCOS、EtherCAT、或EthernetPOWERLINK等高速、確定性的網絡。第二種,可稱之為松耦合驅動,使用諸如以太網協議、CAN總線和RS485等低速網絡。


      緊耦合驅動需要使用運動卡或者通過PC運行專用軟件,來同步和協調各個軸的運動。每個驅動器可接收位置和速度的更新信息,其更新速率可達每秒鐘數千次。松耦合驅動也是由主機控制,但是驅動器承擔更強大的仿形切削,同時也具有更大的延遲。將類似于“利用點到點S型曲線,將軸移動到位置X”的指令,發送給每個驅動器。這些驅動器內的交互傾向于自動化,利用就地傳感器的輸入來啟動或停止運動。


      運動控制卡


      運動控制卡是分布式驅動最主要的替代品。主要區別是:運動控制卡通過背板總線與分散的主板或處理器卡連接起來。但是在這里,我們將單機單卡控制器和背板運動控制卡稱為機器控制器卡。

      在運動控制器方案中,微處理器中有應用代碼,運動控制器IC(運動處理器)用于產生輪廓、伺服回路閉合以及管理軸控制中的對時間要求比較嚴格的元素。機器應用的微處理器和運動處理器可以為同一個,尤其是對那些簡單的控制應用而言。機器控制器卡的優勢之一是可維護性更好,這是因為維修整個控制器卡,就是更換卡件。由于放大器布置在卡件上,接線也減少了。還可根據實際應用對卡件的實體尺寸以及接頭進行裁剪。


      運動控制卡有兩種不同的類型:成品的和客戶定制的。成品卡,尤其是總線連接的運動卡,存在已經很長時間了,有很多供應商可供選擇??蛻舳ㄖ瓶?,盡管需要更多的設計工作,也是一種很好的選擇。有個重要的發展趨勢就是將放大器(IC或者基于模塊的)集成到卡件上。另外一個趨勢是利用基于IC的成品運動控制器,提供輪廓產生、伺服回路閉合、通訊以及時間關鍵功能,比如自動安全響應、程控中斷以及其它類型的自動運動軸管理。


      以上便是主要使用了對運動控制系統的兩種控制結構:集中式和分布式的全部講解和應用了。



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