什么是運(yùn)動(dòng)控制器？運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)與類型有哪些？

一、什么是運(yùn)動(dòng)控制器

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(kāi)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）。

運(yùn)動(dòng)控制器是一種電子設(shè)備，通常與運(yùn)動(dòng)控制軟件配合使用，用于控制機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床和其他自動(dòng)化設(shè)備移動(dòng)或執(zhí)行各種任務(wù)。

圖1

運(yùn)動(dòng)控制器的工作原理是將預(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（點(diǎn)位、運(yùn)動(dòng)軌跡、插補(bǔ)等）控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制。

廣義的運(yùn)動(dòng)控制器按結(jié)構(gòu)分類可分為PLC可編程邏輯控制器、單片機(jī)控制器、獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制器、基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡、網(wǎng)絡(luò)控制器等。

運(yùn)動(dòng)控制器主要分為三類，分別是PC-based（工控計(jì)算機(jī)）、專用控制器、PLC。其中，PC-based 運(yùn)動(dòng)控制器是一種基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它具有靈活性和可擴(kuò)展性，但需要較高的技術(shù)水平；專用控制器是一種針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)的專用控制器，它具有較高的可靠性和穩(wěn)定性；PLC 運(yùn)動(dòng)控制器則是一種基于可編程邏輯門陣列(PLC)的通用型控制器，它具有較高的性價(jià)比和適用范圍廣的特點(diǎn)。

運(yùn)動(dòng)控制器和PLC都是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的重要組成部分，你中有我，我中有你，但它們的應(yīng)用場(chǎng)景和側(cè)重功能有所不同。運(yùn)動(dòng)控制器主要用于控制步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等運(yùn)動(dòng)部件，而PLC則主要用于控制邏輯電路、人機(jī)界面等。

二、運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)

（1）硬件組成簡(jiǎn)單，把運(yùn)動(dòng)控制器插入PC總線，連接信號(hào)線就可組成系統(tǒng)；

（2）可以使用PC機(jī)已經(jīng)具有的豐富軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)；

（3）運(yùn)動(dòng)控制軟件的代碼通用性和可移植性較好；

（4）可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作的工程人員較多，不需要太多培訓(xùn)工作，就可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

三 常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)控制類型

點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制：即只需要終點(diǎn)位置，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)控制器要求定位速度快，在運(yùn)動(dòng)的加減速段采用不同的加減速控制策略。 為了使系統(tǒng)快速加速到設(shè)定速度，往往提前系統(tǒng)增益和增加加速度，在減速結(jié)束時(shí)采用S曲線減速控制策略。為了防止系統(tǒng)振動(dòng)到位后，規(guī)劃到位，將適當(dāng)降低系統(tǒng)增益。因此，點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制器通常具有在線控制參數(shù)和變量和減速曲線的能力。

連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制：這種控制也稱為輪廓控制，主要用于傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)輪廓控制的切削系統(tǒng)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器解決的問(wèn)題是如何使系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，既要保證系統(tǒng)加工輪廓的精度，又要保證刀具沿工件的輪廓運(yùn)動(dòng)。切削速度恒定。加工小段時(shí)具有多種程序預(yù)處理功能。

同步運(yùn)動(dòng)控制：指多軸之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，可以在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由多軸同步，也可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中局部速度同步，主要用于需要電子齒輪箱和電子凸輪的系統(tǒng)控制功能。工業(yè)有印染、印刷、造紙、軋鋼、同步剪板機(jī)等行業(yè)。相應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，自動(dòng)調(diào)整控制量的幅值和相位，保證控制函數(shù)與干擾幅值相等，與進(jìn)氣端相位相反，從而抑制周期性干擾，保證系統(tǒng)同步控制。

四、什么是PLC

可編程邏輯控制器是種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。

五 、PLC的特點(diǎn)

（1）可靠性高。由于PLC大都采用單片微型計(jì)算機(jī)，因而集成度高，再加上相應(yīng)的保護(hù)電路及自診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

（2）編程容易。PLC的編程多采用繼電器控制梯形圖及命令語(yǔ)句，其數(shù)量比微型機(jī)指令要少得多，除中、高檔PLC外，一般的小型PLC只有16條左右。由于梯形圖形象而簡(jiǎn)單，因此容易掌握、使用方便，甚至不需要計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，就可進(jìn)行編程。

（3）組態(tài)靈活。由于PLC采用積木式結(jié)構(gòu)，用戶只需要簡(jiǎn)單地組合，便可靈活地改變控制系統(tǒng)的功能和規(guī)模，因此，可適用于任何控制系統(tǒng)。

（4）輸入/輸出功能模塊齊全。PLC的優(yōu)點(diǎn)之一，是針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)（如直流或交流、開(kāi)關(guān)量、數(shù)字量或模擬量、電壓或電流等），均有相應(yīng)的模板可與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件（如按鈕、開(kāi)關(guān)、傳感電流變送器、電機(jī)啟動(dòng)器或控制閥等）直接連接，并通過(guò)總線與CPU主板連接。

（6）運(yùn)行速度快。由于PLC的控制是由程序控制執(zhí)行的，因而不論其可靠性還是運(yùn)行速度，都是繼電器邏輯控制無(wú)法相比的。近年來(lái)，微處理器的使用，特別是隨著單片機(jī)大量采用，大大增強(qiáng)了PLC的能力，并且使PLC與微型機(jī)控制系統(tǒng)之間的差別越來(lái)越小，特別是高檔PLC更是如此。

六、運(yùn)動(dòng)控制器與plc的比較

運(yùn)動(dòng)控制主要涉及步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的控制，控制結(jié)構(gòu)模式一般是：控制裝置+驅(qū)動(dòng)器+（步進(jìn)或伺服）電機(jī)。

控制裝置可以是PLC**系統(tǒng)，也可以是專用的自動(dòng)化裝置（如運(yùn)動(dòng)控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡）。**PLC系統(tǒng)作為控制裝置時(shí)，雖具有PLC系統(tǒng)的靈活性、一定的通用性，但對(duì)于精度較高，如插補(bǔ)控制，反應(yīng)靈敏的要求時(shí)難以做到或編程非常困難，而且成本可能較高。

隨著技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)積累，運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)運(yùn)而生了，它把一些普遍性的、特殊的運(yùn)動(dòng)控制功能固化在其中—如插補(bǔ)指令，用戶只需組態(tài)、調(diào)用這些功能塊或指令，這樣減輕了編程難度，性能、成本等方面也有優(yōu)勢(shì)。

也可以這樣理解：PLC的使用是一種普通的運(yùn)動(dòng)控制裝置。運(yùn)動(dòng)控制器是一種特殊的PLC，專職用于運(yùn)動(dòng)控制。

PLC 及運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)展到今天，它們?cè)诠δ堋⑿阅苌弦呀?jīng)非常接近了。只是形式上它們大多數(shù)仍然保留了原有的特征，即：運(yùn)動(dòng)控制器主要面向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，伺服軸（運(yùn)動(dòng)軸）是它的主要控制對(duì)象；PLC 主要面向邏輯控制，IO（Digital 或 Analog）是它的主要控制對(duì)象。同時(shí)，大家也看到了運(yùn)動(dòng)控制器也有較強(qiáng)的 IO 能力，而 PLC 也具備運(yùn)動(dòng)控制的功能。

下面從以下幾個(gè)方面分析一下：

1、從編程語(yǔ)言來(lái)看，IEC61131-3 已經(jīng)是這兩類控制器的標(biāo)配，僅其擴(kuò)展的語(yǔ)言模塊可以反映其應(yīng)用的傾向性;兩者之間最大的不同是兩者具有不同的編程接口，使得它們具有不同的功能。PAC通常使用C或C ++進(jìn)行編程，因此具有開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)并采用模塊化設(shè)計(jì)；而PLC通常使用Ladder Diagram(梯形圖)等低級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程,程序執(zhí)行簡(jiǎn)單，可以以有限的內(nèi)存以及離散的輸入和輸出運(yùn)行程序。

2 由于運(yùn)動(dòng)控制器的模塊提供了易于編程的功能，因此很容易將組件從PAC中裝卸。同時(shí)，簡(jiǎn)化的編程使其能夠監(jiān)視和控制成千上萬(wàn)個(gè)輸入/輸出（I / O）。

而PLC是依賴電纜的控制系統(tǒng)，添加設(shè)備會(huì)增加額外的布線。使用傳統(tǒng)方法很難在緊湊的端子中布線，所以制造商現(xiàn)在使用的是預(yù)制電纜組件，而不是離散的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線。

簡(jiǎn)而言之，PLC和PAC的存儲(chǔ)容量和分布式I / O都在不斷進(jìn)步，以適應(yīng)工廠的需求。此外，現(xiàn)代的PLC和PAC通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接，以確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。隨著通過(guò)IoT連接的設(shè)備的集成，制造過(guò)程更加簡(jiǎn)化，并提供了更好的網(wǎng)絡(luò)連接性。

3 控制對(duì)象不同：運(yùn)動(dòng)控制器主要控制運(yùn)動(dòng)部件，而PLC主要控制邏輯電路和人機(jī)界面。

PLC在小型自動(dòng)化任務(wù)中表現(xiàn)良好，例如單機(jī)控制（使用觸發(fā)器進(jìn)行開(kāi)和關(guān)）或小規(guī)模的樓宇自動(dòng)化（照明，溫度控制等）。所以，PLC是一種自然且具有成本效益的選擇。PAC則傾向于更復(fù)雜和大規(guī)模的自動(dòng)化架構(gòu)，特別適合于多域監(jiān)視和控制。如先進(jìn)智能的過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)控制、視覺(jué)應(yīng)用程序和HMI等，既可以在單個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，也能同時(shí)使用基于PC的軟件進(jìn)行編程、監(jiān)視和收集數(shù)據(jù)。

4 控制方式不同：運(yùn)動(dòng)控制器通常采用脈沖輸出或方向輸出等方式進(jìn)行控制，而PLC通常采用開(kāi)關(guān)量輸入和輸出進(jìn)行控制。

5 從性能來(lái)看，兩者應(yīng)該是不分伯仲。PLC 有已發(fā)展為 PAC（Programable Automation Controller）的，處理器性能非常強(qiáng)大，可作為多領(lǐng)域控制器；運(yùn)動(dòng)控制器也有從嵌入式一直到 IPC，能控制非常多的伺服軸，完成復(fù)雜的插補(bǔ)運(yùn)算已不是問(wèn)題。

6、從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，PLC 與運(yùn)動(dòng)控制器仍然基于自己的特征在發(fā)展，并沒(méi)有看到明顯的被另一種所替代的趨勢(shì)。對(duì)運(yùn)動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，通常三個(gè)領(lǐng)域：CNC、RC（Robot Control）和 GMC（General Motion Control）。除了在 GMC 中普遍可以看到 PLC 的身影，CNC 與 RC 仍然是以運(yùn)動(dòng)控制器居多，因?yàn)檫@兩類應(yīng)用 IO 通常不是主角。

真正的區(qū)別在于應(yīng)用的傾向性，這使他們?cè)谛问缴希?a target="_blank">端口配置、安裝、接線方便性等）顯出差異、在任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理上有差異，以便更好地服務(wù)于它針對(duì)的應(yīng)用。

另外，性價(jià)比也是用戶選型主要考慮的因素，滿足應(yīng)用需求的同時(shí)做到成本最優(yōu)，也是以運(yùn)動(dòng)控制軸為主的控制器與以 IO 為主的控制器（PLC）仍然同時(shí)存在的理由。從技術(shù)發(fā)展來(lái)看，許多公司更傾向于在 ISA95 的 Level 2 層面配置專業(yè)的控制器與邊緣控制/計(jì)算單元搭配，來(lái)實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比、模塊化、可擴(kuò)展性及互操作性。

運(yùn)動(dòng)控制器和主打運(yùn)動(dòng)型 PLC 的差距在哪里？

運(yùn)動(dòng)控制器與 PLC 都有超過(guò) 40 年的歷史，相比較而言 PLC 的歷史更久遠(yuǎn)。Galil 公司的運(yùn)動(dòng)控制器從 1983 年開(kāi)始，Delta Tau 公司的運(yùn)動(dòng)控制器從1981 年開(kāi)始，TRIO 公司的運(yùn)動(dòng)控制器從 1987 年開(kāi)始。Modicon 公司 1968 年推出 Modicon 084，西門子公司 1983 年發(fā)布 Simatic S5。

以運(yùn)動(dòng)控制器為代表的廠家更關(guān)注運(yùn)動(dòng)控制本身，PLC 的應(yīng)用對(duì)象更多，運(yùn)動(dòng)控制只是 PLC 關(guān)注的一個(gè)部分。PLC 所面對(duì)的運(yùn)動(dòng)控制都相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)控制器所面對(duì)的運(yùn)動(dòng)控制則更復(fù)雜一些。

以倍福和貝加萊為代表的 PC based 的控制器，慢慢融合了 PLC 和 PC 的優(yōu)點(diǎn)，形成了新一代的控制器，代表著控制領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)方向，特別是倍福以開(kāi)放式開(kāi)發(fā)平臺(tái)為載體，兼容并包 PLC、NC、CNC、Robotics、Vision 和 IoT 等技術(shù)，這是產(chǎn)業(yè)發(fā)展與需求的大趨勢(shì)。

從運(yùn)動(dòng)控制的角度來(lái)看，運(yùn)動(dòng)控制器和主打運(yùn)動(dòng)型的 PLC 在基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)控制方面的差距在縮小，但是運(yùn)動(dòng)控制器在運(yùn)動(dòng)控制這一塊的積累與應(yīng)用場(chǎng)景還是更深厚一些。