基于LabVIEW NI SoftMotion的運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理應用

幾乎所有的自動設(shè)施——從工業(yè)機器到醫(yī)療設(shè)備——其組件如何移動都必須按照控制方式執(zhí)行。移動負載最常見的方法就是使用一些電機元件如電動機。我們來學習如何控制基于電動機的系統(tǒng)，并探究NI公司所提供的各種不同的機器控制解決方案。
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運動控制需求

在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域中，最常見的電動機就是步進式、有刷式以及無刷式直流電動機，但是其實還有一些其它類型的電動機。每種電動機都需要有獨立的輸入信號來激勵電動機，然后將電能轉(zhuǎn)換成機械能。在最廣義的意義上，運動控制可以幫助你使用電動機(最大程度上滿足你的應用需求)，而無需考慮所有激勵電機所需的低層次的激勵信號。

另外，運動控制還具備一些高級功能，因此可以基于模塊搭建高效地實現(xiàn)指定的應用，為一些常規(guī)任務提供解決方案，如精準定位、多軸同步，以及指定速度、加速度和減速度的運動等等。

因為大多電動機的工作環(huán)境都是瞬時的，所以運動控制工具必須能夠適應不同負載和動態(tài)條件，而這則需要一些復雜的控制處理算法和機械系統(tǒng)的反饋信息。最后(但并不是最不重要的)，運動控制的任務一般都比較嚴格，而且通常其所操控的機器還可能會傷及到周圍的人。因此，運動控制中必須具備一些安全特征，如限位開關(guān)(limit switch)和I/O通道，用以收集狀態(tài)信息并執(zhí)行停止程序。

運動控制系統(tǒng)的組件

下圖描述了運動控制系統(tǒng)的基本組成部分。

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圖1. 運動控制器是運動控制系統(tǒng)的核心。

你所開發(fā)的應用軟件便是你應用程序中的特定部分。應用軟件定義了運動配置文件，以及特定事件觸發(fā)并影響配置文件的方式。應用軟件由好幾個可選的層次構(gòu)成。通常來說都包含一個用戶界面程序，用以實現(xiàn)交互式操作。很多運動控制應用都包含應用層，實現(xiàn)警報處理和數(shù)據(jù)庫連接性(連接到一個SCADA系統(tǒng))。它們還通常包含由運動控制器執(zhí)行的運動控制指令。運動控制器的制造商提供了應用軟件的開發(fā)環(huán)境。

根據(jù)上述內(nèi)容，運動控制器創(chuàng)建運動配置文件。根據(jù)這些配置文件，控制器將信號(通常是±10 V，或者步進信號與方向信號)通過放大器或者電動機驅(qū)動傳到電動機。放大器的任務就是從控制器接收信號，然后將它們變成可以驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動的信號。

隨著電動機運轉(zhuǎn)，反饋設(shè)備——通常是位置傳感器——會將位置信息反向傳遞至控制器，構(gòu)成閉環(huán)控制環(huán)。運動控制器通過位置傳感器獲取電動機的位置信息，從而推算出電動機的移動速度。有些應用中需要有多個反饋設(shè)備，以保證該電動機所驅(qū)動的機械系統(tǒng)能夠正確運行。雖然反饋設(shè)備提供了位置信息，但有時還需要向控制器傳遞一些特殊的反饋信息，譬如壓力傳感器或者震動傳感器的數(shù)據(jù)。

運動控制器的架構(gòu)

運動控制器就像是運動控制系統(tǒng)的大腦，它要計算每個預定運動軌跡。該任務非常重要，因此它需要一個專門的資源以保證高度的確定性。運動控制器利用其所計算出來的運動軌跡來決定合適的扭矩命令，然后將其發(fā)送至電動機放大器，才真正產(chǎn)生運動?？刂破鬟€必須通過監(jiān)測限制條件和緊急制動條件，來關(guān)閉控制環(huán)并處理監(jiān)控(supervisory control)，從而保證安全操作。這些操作都必須實時實現(xiàn)，以確保有效運動控制系統(tǒng)所必需的高度可靠性、確定性、穩(wěn)定性和安全性。

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圖2.運動控制器架構(gòu)

下面描述運動控制器的各種不同任務。

監(jiān)控 – 提供了執(zhí)行特定操作所需的命令順序安排和協(xié)調(diào)。這些特殊操作包括：

系統(tǒng)初始化，其中包括返回到零位置。
事件處理，其中包括：電子傳動，基于位置信息的觸發(fā)輸出，基于用戶定義事件的配置文件更新。
故障檢測，其中包括：遇到限位開關(guān)停止運動，遇到緊急制動或者驅(qū)動故障、看門狗等時的安全系統(tǒng)反應。
軌跡發(fā)生器 – 根據(jù)用戶定義的配置文件進行路徑規(guī)劃。

控制環(huán) – 執(zhí)行快速的閉環(huán)控制，在單軸/多軸上同步維持位置、速度和軌跡?？刂骗h(huán)根據(jù)反饋信息來處理位置/速度環(huán)的關(guān)閉，并決定系統(tǒng)的響應和穩(wěn)定性。在步進式系統(tǒng)中，由步進發(fā)生組件構(gòu)成控制環(huán)。該控制環(huán)包含一個插值組件或者樣條引擎(spline engine)，在軌跡發(fā)生器所計算出的兩個設(shè)置點之間進行插值。這樣，控制環(huán)的執(zhí)行速度就會快于軌跡發(fā)生器。圖2描述了NI運動控制器的功能架構(gòu)。