運動控制器的應用現狀及其發展趨勢

陳啟雷　張禮兵　陳俊澍　胡樂意

摘 要：隨著電子技術、計算機技術和自動化控制技術等技術的快速發展，運動控制器作為運動控制技術中的一個關鍵核心部件，在工業自動化領域中發揮著越來越重要的作用。文章根據運動控制器的在各行各業的應用現狀，對運控控制器進行歸類和總結，并結合運動控制系統的發展過程，對運動控制器的發展趨勢進行了預測。

關鍵詞：運動控制器；應用現狀；發展趨勢

引言

在機電一體化設備中，運動控制技術是其中一個關鍵的核心技術，運動控制技術將預定的控制指令轉變成被控對象的預期的運動，實現被控對象運動過程中的位置和速度等運動參數的精確控制，其中，運動控制器是運動控制技術中的一個的關鍵部件。隨著電子技術、計算機技術、通信技術和自動化控制技術等技術的迅速發展，運動控制器作為機電一體化設備中的一個關鍵核心部件，在工業自動化領域中發揮著越來越重要的作用[1]。

1 運動控制器的應用現狀

運動控制器越來越廣泛地應用于各個行業的自動化設備，如數控機床、雕刻機、切割機、鉆孔機、印刷機、沖孔機、激光雕刻、激光切割、包裝機、紡織機、食品加工、繪圖機、點膠機、焊接機、電子裝配自動檢測等，甚至在航空航天和國防領域也得到廣泛應用。根據所用的CPU不同，運動控制器產品主要有以下五種類型：

（1）以單片機（MCU）為核心的運動控制器，低端采用8位或16位的單片機作為處理器，其主要優點是價格比較低廉，缺點是運行速度較慢，控制精度較低。因此這種運動控制器適用于一些低速或運動控制精度要求不高的點位運動或輪廓運動控制的自動化設備。

（2）以專用芯片為核心的運動控制器，美國國家半導體公司生產的LM628和LM629專用運動控制芯片，日本的NOVA生產的MCX304、MCX501等運動控制芯片是專門為精密控制步進電機和伺服電機而設計的專用處理器，產品應用于數控機床、雕刻機、工業機器人、醫用設備、繞線機、自動倉庫、繪圖儀、點膠機、IC制造設備等領域。

（3）以數字信號處理器（DSP）為核心的運動控制器，美國DeltaTau公司生產的PMAC運動控制器，采用Motorola的DSP56003作為處理器。國內的基于DSP的運動控制器，通常以美國TI公司推出的C2000系列，例如TMS320F2812和TMS320F28335作為運動控制器的核心芯片。

（4）基于SOPC技術的運動控制器，System-on-a-Programmable-Chip（SOPC），即可編程片上系統，這種運動控制器主要有兩種類型：基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統和基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統，如Altera公司推出的采用了哈佛結構、具有32位指令集成的第二代片上可編程的軟核和硬核處理器。

（5）多CPU的運動控制器，這種類型的運動控制器采用兩個及以上的CPU，例如采用ARM和FPGA的多CPU運動控制器、DSP和FPGA的多CPU運動控制器以及ARM+DSP+FPGA相結合的多CPU運動控制器[2-3]。

目前運動控制器主要分為三大類：基于PC的運動控制器、嵌入式運動控制器和全軟件型運動控制器。

（1）基于PC運動控制器，采用“PC+運動控制卡”的模式，運動控制卡配有API函數庫供用戶調用，用戶根據需求進行二次開發PC機界面系統，運動控制卡通過PCI總線、ISA總線、USB接口或網絡接口等與工控機或PC機進行連接[4]。例如美國DeltaTau公司的PMAC運動控制器、深圳固高公司的GE/GT/GH系列運動控制器、研華科技開發的PCL/PCM/PCI系列的控制器等。

（2）嵌入式運動控制器，采用嵌入式處理器（ARM/DSP等），該控制器是一種可以脫離PC機單獨運行的獨立型運動控制器[5]，例如ARM+DSP嵌入式運動控制器、固高科技公司開發的GUC系列嵌入式運動控制器。

（3）全軟件型運動控制器，運動控制器的運動控制功能全部采用軟件算法實現，硬件電路實現工控機與伺服驅動和外部接口之間的連接。全軟件型運動控制器如美國MDSI公司的OpenCNC、SoftServo公司研制的ServoWorks、德國PowerAutomation公司的PA8000NT、固高科技的GO系列運動控制器。

2 運動控制器的發展趨勢

隨著電子技術、計算機技術和自動化控制技術等技術的快速發展，運動控制器的發展與之相適應，其發展趨勢向多軸化、網絡化、開放式、智能化、可重構性等方向發展[6]。

（1）多軸化運動控制器，內部存在PLC模塊與MC模塊，可以實現可控制的更高精度的工作，同時多軸化可以使其控制的內容更加多。如今因其具有高效穩定的運動控制系統，如今已廣泛的應用于包裝、印刷、切割、數控機床、自動化倉庫等各種自動化控制領域中。

（2）網絡化運動控制器，運動控制器的網絡化體現在兩個方面，一是運動控制器通過以太網技術與工控機或其它設備進行網絡連接，實現網絡互連，另外，運動控制器通過網絡通訊技術與驅動器或現場設備之間進行交互數據和通訊，網絡通訊技術如以太網、現場總線協議等。

（3）開放式結構運動控制器，開放式運動控制器是新一代工業控制器，開放式結構的運動控制器可以應用于更加廣泛的應用領域，根據行業特點進行上位機的開發，實現上位機與控制器之間的互連，同時，可以把不同廠家的部件集成在同一個平臺上實現無縫集成，從而降低開發成本。

（4）智能化運動控制器，這種類型的控制器具備自適應控制功能，例如根據載荷變化自適應調整控制參數、自動選擇控制模型、自整定、設備故障自動檢測、自動診斷、自動修復等智能化功能。

（5）可重構型運動控制器，這種類型的運動控制器可根據用戶對控制器功能的實際需求分別從硬件和軟件方面進行快速重構，運動控制器的硬件可重構，根據用戶的實際需求對控制器的硬件結構進行動態調整；運動控制器的軟件可重構，根據用戶對控制器的功能模塊的實際需求采用模塊化方式進行增加、裁剪、修改和重構。

參考文獻

[1]蔣仕龍，吳宏，呂恕，等.通用運動控制技術現狀、發展及其應用[J].電工文摘，2009（1）：15-19.

[2]黃建.基于DSP和FPGA的多軸伺服運動控制器設計[J].微電機，2014，47（8）：61-64，78.

[3]陳孟元.基于FPGA的移動機器人運動控制器的實現[J].井岡山大學學報（自然科學版），2014，35（5）：56-62.

[4]賈佳，曹樹坤.基于DSP的多軸運動控制器研究[J].現代制造技術與裝備，2012（4）：8-9，14.

[5]賈小波，于東，胡毅，等.基于DSP的嵌入式運動控制器設計與優化[J].組合機床與自動化加工技術，2013（3）：42-46.

[6]尹志生，崔洋，徐立松，等.基于OMAP的可重構嵌入式運動控制系統設計[J].電子測量技術，2013，36（8）：1-5.