運(yùn)動(dòng)控制器是如何進(jìn)行工作的？它具有哪些種類？

運(yùn)動(dòng)控制(Motion Control)通常是指在復(fù)雜條件下將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制。

運(yùn)動(dòng)控制器就是控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式的專用控制器：比如電動(dòng)機(jī)在由行程開關(guān)控制交流接觸器而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)物體向上運(yùn)行達(dá)到指定位置后又向下運(yùn)行，或者用時(shí)間繼電器控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)一會(huì)停一會(huì)再轉(zhuǎn)一會(huì)再停。運(yùn)動(dòng)控制在機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用要比在專用機(jī)器中的應(yīng)用更復(fù)雜，因?yàn)楹笳哌\(yùn)動(dòng)形式更簡(jiǎn)單，通常被稱為通用運(yùn)動(dòng)控制(GMC)。

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

1)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器用以生成軌跡點(diǎn)(期望輸出)和閉合位置的反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合一個(gè)速度環(huán)。

2)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器或放大器用來(lái)將運(yùn)動(dòng)控制器的控制信號(hào)(通常是速度或扭矩信號(hào))轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號(hào)。更為先進(jìn)的智能化驅(qū)動(dòng)可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。

3)一個(gè)執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電機(jī)用以輸出運(yùn)動(dòng)。

4)一個(gè)反饋傳感器如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)設(shè)備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實(shí)現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

5)眾多機(jī)械部件用以將執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為期望的運(yùn)動(dòng)形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。

2、運(yùn)動(dòng)控制器原理

運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行著四個(gè)基本任務(wù)：傳送位置反饋碼;發(fā)出定位指令或運(yùn)動(dòng)波形;關(guān)閉位置回路和補(bǔ)償穩(wěn)定度。在這四個(gè)任務(wù)當(dāng)中，最基本的是傳送電動(dòng)機(jī)位置信號(hào)和關(guān)閉位置回路。電動(dòng)機(jī)位置的確定來(lái)自反饋信號(hào)，有時(shí)還有增量編碼器，以及同指令位置的比較信號(hào)。實(shí)際位置和指令位置之間的差值就是所謂的位置誤差。

控制器的任務(wù)是在無(wú)振蕩載荷的條件下將位置誤差減到最小程度。大多數(shù)情況下，這個(gè)任務(wù)可由比例微積塊或 PID的控制算法來(lái)完成。PID的輸出信號(hào)通過(guò)數(shù)字化模擬轉(zhuǎn)換器進(jìn)入放大器和電動(dòng)機(jī)。PID控制器算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中，比例系數(shù) KP與響應(yīng)速度有關(guān);KD提供穩(wěn)定性和阻尼量;積分系數(shù) KI則決定系統(tǒng)的精確度。調(diào)節(jié)這三個(gè)系數(shù)能使伺服系統(tǒng)調(diào)協(xié)到最佳系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)。

運(yùn)動(dòng)控制器還有產(chǎn)生波形的功能，它能產(chǎn)生與時(shí)間無(wú)關(guān)的位置函數(shù)與所要求的速度波形相對(duì)應(yīng)。運(yùn)動(dòng)的基本要求可用總距離、轉(zhuǎn)換速度和加速度來(lái)表明。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的位置總是同指令位置一致，運(yùn)動(dòng)波形則控制著運(yùn)動(dòng)的路徑和速度，除了這些基本的任務(wù)以外，一臺(tái)先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制器還可以執(zhí)行高層次的功能，例如主機(jī)的處理命令、任務(wù)排序、I 處理和誤差處理。這些特殊功能使控制器實(shí)現(xiàn)安全獨(dú)立的操作。

3、運(yùn)動(dòng)控制器工作原理

一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)指令由運(yùn)動(dòng)控制器給出，因此運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的靈魂。

目前的運(yùn)動(dòng)控制器至少有256個(gè)常規(guī)程序緩沖區(qū)，從而內(nèi)存可以存儲(chǔ)多達(dá)256個(gè)運(yùn)動(dòng)程序。在已經(jīng)有一個(gè)坐標(biāo)系正在執(zhí)行程序的情況下，另一個(gè)程序也可以在任何一個(gè)坐標(biāo)系下運(yùn)行?？赏瑫r(shí)執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)程序數(shù)目?jī)H僅受已定義的坐標(biāo)數(shù)目的限制。當(dāng)運(yùn)動(dòng)程序在前臺(tái)有序地同步運(yùn)行，運(yùn)動(dòng)控制器可以在后臺(tái)下運(yùn)行多達(dá)32個(gè)異步PLC程序。這些程序完成一些可編程序邏輯控制器(PLC)的功能。

4、運(yùn)動(dòng)控制器的作用

運(yùn)動(dòng)控制器是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制。

運(yùn)動(dòng)控制器是一種電子設(shè)備，用于控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)和位置。它可以接收來(lái)自傳感器的反饋信號(hào)，并輸出指令以控制運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)和位置。

運(yùn)動(dòng)控制器的控制形式有很多類型，包括：

位置控制：控制執(zhí)行器的位置，通常使用PID控制算法。

跟蹤控制：使執(zhí)行器跟蹤給定的軌跡或曲線，通常使用模型預(yù)測(cè)控制(MPC)等高級(jí)控制算法。

力控制：根據(jù)外部力或力矩來(lái)控制執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。

扭矩控制：以扭矩為目標(biāo)進(jìn)行控制，通常用于機(jī)械臂等需要精確控制的應(yīng)用。

速度控制：控制執(zhí)行器的轉(zhuǎn)速或運(yùn)動(dòng)速度。

壓力控制：控制液壓系統(tǒng)中的壓力并調(diào)節(jié)執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。

電流控制：控制執(zhí)行器的電流，通常用于直流電機(jī)控制。

運(yùn)動(dòng)控制器被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，尤其是在交流伺服和多軸控制系統(tǒng)中。它可以充分利用計(jì)算機(jī)資源，方便用戶實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，執(zhí)行預(yù)定動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)高精度伺服控制。

按照使用動(dòng)力源的不同，運(yùn)動(dòng)控制主要可分為以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的電氣運(yùn)動(dòng)控制、以氣體和流體作為動(dòng)力源的氣液控制和以燃料(煤、油等)作為動(dòng)力源的熱機(jī)運(yùn)動(dòng)控制等。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在所有動(dòng)力源中，90%以上來(lái)自于電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用，所以在這幾種運(yùn)動(dòng)控制中，電氣運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用最為廣泛。

電氣運(yùn)動(dòng)控制是由電機(jī)拖動(dòng)發(fā)展而來(lái)的，電力拖動(dòng)或電氣傳動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)為對(duì)象的控制系統(tǒng)的通稱。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)多種多樣，但從基本結(jié)構(gòu)上看，一個(gè)典型的現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件主要由上位機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制器反饋檢測(cè)裝置等部分組成。其中的運(yùn)動(dòng)控制器是指以中央邏輯控制單元為核心、以傳感器為信號(hào)敏感元件、以電機(jī)或動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元為控制對(duì)象的一種控制裝置。

5、運(yùn)動(dòng)控制器的控制形式

點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制：即僅對(duì)終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動(dòng)的中間過(guò)程即運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)關(guān)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要求具有快速的定位速度，在運(yùn)動(dòng)的加速段和減速段，采用不同的加減速控制策略。

在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了使系統(tǒng)能夠快速加速到設(shè)定速度，往往進(jìn)步系統(tǒng)增益和加大加速度，在減速的末段采用s 曲線減速的控制策略。為了防止系統(tǒng)到位后震動(dòng)，規(guī)劃到位后，又會(huì)適當(dāng)減小系統(tǒng)的增益。所以，點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器往往具有在線可變控制參數(shù)和可變加減速曲線的能力。

連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制：該控制又稱為輪廓控制，主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)輪廓控制。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要解決的題目是如何使系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，既要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運(yùn)動(dòng)時(shí)的切向速度的恒定。對(duì)小線段加工時(shí)，有多段程序預(yù)處理功能。

同步運(yùn)動(dòng)控制：是指多個(gè)軸之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，可以是多個(gè)軸在運(yùn)動(dòng)全程中進(jìn)行同步，也可以是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的局部有速度同步，主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統(tǒng)控制中。產(chǎn)業(yè)上有印染、印刷、造紙、軋鋼、同步剪切等行業(yè)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來(lái)保證在輸進(jìn)端加一個(gè)與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾，保證系統(tǒng)的同步控制。

總結(jié)，運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用已經(jīng)遍及眾多領(lǐng)域，特別是在交流伺服和多軸控制系統(tǒng)中。它能夠充分利用計(jì)算機(jī)資源，方便地幫助用戶實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、完成既定運(yùn)動(dòng)和高精度的伺服控制。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)將不斷和交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等相結(jié)合，促使我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)不斷進(jìn)步。