摘要：  本文对新型程序运动控制技术在数控装罝中的应用和运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用作分析，并对进人新的领域的新一代高速同步网络运动控制器作介绍。

关键字：  运动控制模块，程序运动控制，高速同步网络

运动控制及系统应用理念
应该说运动控制系统己经在各个领域得到应用。
而运动控制（包括轨迹控制、伺服控制）与顺序控制、过程控制，传动控制并列为典型的控制模式，是一直以来扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工，机器人，数控机床。大规模集成电路制造设备、雷达和各种军用武器随动系统，以及柔性制造系统(FMS—Flesible Maunfacturing systm)等等。而这运动控制系统的组成主要由五部分构成，即移动的机械设备、带反馈和运动I/O的马达（伺服或步进）、马达驱动单元、运动控制模块、以及编程/操作接口软件，见图1所示。其运动控制芯片或模块是作为伺服与步进控制用。
从图1可见传动装置将运动控制模块与特定应用马达、编码器、限制器、用户（运动）I/O连接在一起，用一根控制电缆连接运动控制模块与传动装置，为全部的命令集与反馈信号提供一个通道。当传动装置的性能不能满足应用需要时，用户还可选择通用运动接口(UMI)螺丝接线端子附件，与第三方马达和驱动器/放大器连接。
因为一般盛行的的解决方案均为封闭式结构系统， 所以基于计算机的运动解决方案所拥有的附加灵活性及低成本潜力使其受到普遍欢迎。
随着功率电子技术、微电子技术、计算机技术及控制原理的进步，以交流伺服电动机为执行电动机的交流伺服驱动具有了可与直流伺服驱动相比拟的特性，从而使得交流伺服电动机固有的优势得到了充分的发挥，交流伺服驱动已成为现代伺服驱动发展的方向。
而当今的应用，最迫切需要可以在苛刻条件下，一天24小时连续工作的、可靠耐用的工业机器人和自动机械装置。这样的系统要求远比以前具有精确的电机和反馈控制高，今天的大多数性能改进要归功于新技术和微电子技术的发展。这些创新消除了机器人和自动机械装置共用工作空间时产生的碰撞，改进了任务分配并且提高了伺服系统的精确性，从而使自动机械系统更加可靠地工作。由于运动控制芯片或模块是能为一般伺服与步进应用提供精确、高性能的运动功能，故可以简单易用的运动控制模块、软件、以及外设为运动和测量集成需求提供最佳集成解决方案。
直流无刷电机伺服系统中的运动控制模块
运动控制模块要在直流无刷电机伺服系统中得到应用，它必须组成闭环系统的运动控制系统，这是现代的自动化系统为了完成运动控制所持有的特征。
该直流无刷电机伺服系统由运动控制模块（卡）与伺服电机、驱动器和反馈元件（反馈用正交编码器）组合及编程/操作接口软件等组成。它能对速度和位置提供精确与稳定的控制。图2所示为运动控制模块组成的直流无刷电机伺服系统方块图。
从图2看出，该运动控制系统是含有一个直流无刷电机的伺服系统。而其运动控制模块正交编码器的接口电路，就是运动控制模块的编码输入电路，即接收器电路，它接收通过反馈编码器电缆传送来的正交编码器的输出信号。
对高性能、高速的应用系统而言，直流无刷电机是可用的，故值此所述系统均是直流无刷电机伺服系统。这种电机的轴端装有测定轴速和换向点的正交编码器，用于控制电机的线圈切换顺序。而第二个正交编码器安装在机械装置的旋转轴上，它输出旋转轴的位置数据信号，使由于传动装置和导螺杆中的齿隙（两个或多于齿轮间的间隙）所导致的误差而引起旋转轴的位置和电机轴的位置不一致问题得到解决。
典型的运动控制模块包含一个微处理器和一个用于处理高速编码信号的DSP或定制ASIC（专用集成电路）。运动控制模块为驱动器或放大器提供一个控制转动速度和方向的信号，驱动器把它转换为适当的电压和电流（功率）去驱动电机运转。这样的运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用就能使系统成为坚固的、具有容错能力的运动控制反馈系统。[#page#]
程序运动控制技术
程序运动控制技术由来。由于半导体与光电产业对生产技术高速、多轴与高精确度的需求，生产机台或检测机台中使用的运动控制硬件控制卡越来越向精确时程控制的目标发展，由此产生了程序运动及绝对同步运动控制技术新应用趋势。
在大多数制造业的生产流程中，运动控制占有非常重要的地位，很多的机器、设备，包含半导体或是光电产业设备，或者是传统机械产业的车床、铣床、CNC整合加工机具等，都包含运动控制的模块。而近年来，由于影像视觉的辨识技术逐渐成熟，运动视觉解决方案对搭配运动控制技术的需求也越来越明显。这些技术的进步促使整个工业产业的应用层面更为丰富。为此在开发上，可以选择使用开放架构的PC和操作系统作为控制用的平台，也因此更多的核心开发技术可以掌握在开发者手中，再加上价格优于其它解决方案，因此具备了很强的竞争优势。在运动控制方面，大致可以归纳出几项运动所需要的控制轨迹：
点对点运动(Point-to-Point)：单轴的运用，通过运动控制卡的指令集，控制单轴由A点运动到B点，所以又称为点对点运动。
补间运动(Interpolation)：补间运动通常可以分为线性补间及圆弧补间运动。线性通常可以由两轴以上构成，而圆弧补间运动则由两轴构成，形成一个多维或二维的运动轨迹。通常补间运动可以用于连续轨迹的运动控制，例如雕刻或是鞋模等等。补间运动的解析决定了轨迹运动的控制精度。
螺线型运动：由二维的圆弧运动和垂直轴的线性运动组合而成，多用于工具机的应用中。
多轴同时运动或是同时停止：控制两个以上的运动轴做PTP的同时运动，或是同时停止。
同步运动控制：通过运动控制卡的绝对同步性，可以使多轴的运动依照一定的时间顺序准确控制，也可以通过条件设定使得轴与轴之间可以依据相互关系而运动。通常这种方式的控制必须采用串行式的运动控制器才能达成，由于串行式控制器与马达驱动器有特定的通信协议，彼此之间可以依据运作的时钟，来实现绝对运动的控制。值此主要对由同步运动所发展的程序运动控制技术的基本特征及应用作分析说明，即以三菱串行式的控制技术为基础，说明程序运动控制技术。其首先应对现有可采用的基于DSP与串行控制技术运动控制新方案作介绍
基于DSP与串行控制技术结合的程序运动控制的特征
基于DSP技术。近年来，由于伺服控制有实时性的需求，在精准时间控制的要求下，一般都采用速度较快的DSP，也有采用RISC或是一般CPU来完成的。使用高速的DSP通常会搭配高速的内存，而采用DSP的运动控制卡，由于具有可程序化的能力，所以一般使用者可以下载部分过程控制码在DSP内部执行，这样的优点在于整个控制程序享有实时性的特点。
串行控制技术。伺服马达的串行控制技术，一般而言，串行式控制具有自己的通讯协议，使得控制器与被控制端（伺服驱动器）可以依通信协议进行资料交换，以作为运动控制或是取得相关伺服信息回到控制器本端。其通信也会依一个固定时钟做数据交换及更新动作，也就是会依据实时性的特性来运作。在此，以三菱串行式的控制技术为基础，说明程序运动控制技术。SSCNet(Servo System Control Network)是串行式伺服控制。该串行式伺服控制的实时性的特性为0.888 ms。
在复杂的机构与控制中，机构与时间的配合是十分的重要，尤其是多连杆的机构。如下图3(a)所示一个复杂的运动机构图例。
在芯片吸取的过程中，顶针也必须在准确且与机器手臂同步的时间内将芯片顶起以利于吸头的抓取，所有的机械动作都必须依赖运动控制卡的程序运动控制技术才能完成。若串行式运动控制必须通过PC将用户的运动控制指令传达到运动控制卡上，传递过程中由于操作系统的时间延迟且非实时性，多轴之间的同步性无法很准确的实现。若不利用程序运动控制技术，那么运动指令在操作系统中传递所造成的时间差，将使其无法进行同步运动控制。因此，程序运动控制的精度在于将用户需要做到同步运动的控制轴，编成程序代码后，下载至DSP中做运算，DSP会依据串行式运动的数据更新周期时间，完成过程控制。其基于DSP技术应用见图3(b)示意。[#page#]
程序运动控制独特优势
过程控制技术可以为需要实时性控制的应用者提供以下的优点：一般的非同步机制的控制卡，各轴之间的控制为独立关系，如果要进行主轴与从轴的应用，那些解决方案是无法达到这种精确控制需求的。唯有利用串行式运动控制技术见图3(c)同步机制示意。
在串行式伺服控制中，其实时性的特性为0.888ms，彼此间依照通信协议的固定时钟，才能依照基本时钟进行同步控制；除串行式控制技术外，DSP的加入，可以让用户有更多的弹性加入到过程控制的流程，可程序化的优点让用户不需要通过操作系统的非实时性而造成指令延迟。可以充分利用串行式控制的实时性，而达到多轴同步控制的应用；在过程控制中，用户可以自由选择各轴间的同步关系，例如决定了主轴运动之后，从轴可以依据主轴的位置、运动速度、或是外部的数字信号作为同步触发信号，亦可以实现动态位置补偿的功能，使得主从轴可以在时间上完美搭配；过程控制的控制权在DSP上，所以可以大幅减少CPU的系统负担，减少通过操作系统传递运动指令所造成的时间延迟，增进往复性的控制效能。
由此可见串行式的通信技术加上DSP的运动控制，程序运动控制的技术将可以让用户在精密机械的控制中，提升控制精度与效能，缩短往复性运动的周期时间，进而增加机器设备的生产产能。
新一代高速同步网络运动控制进人新的领域
新一代高速同步网络运动控制系统具有高性能的伺服放大器、实现高速度、高精度并继承了原有的运动控制器系列的功能和编程环境。值此以SSCNET111型为例的新一代高速同步网络运动控制系统作介绍，其构成见图4(a)。
主要特征：
采用光通信方式的50Mbps高速通信系统响应性提高，而控制器-伺服放大器之间的数据发送接收速度大大提高，缩短应答时间网络通信速度从5.6波特率(Mbps)到50 Mbps，约为原来的10倍；其通信的可靠性更高；系统布局的自由度提高，对应长距离配线，线缆总延长从距离30米到800米。
通过运动控制实现高速度、高精度：实现0.44ms的运算周期，比原来缩短1/2见图4(b)所示，通过更平滑的指令实现高精度控制；包括伺服电机在内系统全体的时间缩短，对应最高性能的伺服放大器。
运动控制的能力提高：多轴间的同步精度的提高，通过相位补偿功能、自动补偿由于同步编码器的处理时间和伺服的滞留脉冲导致的误差；采用分辨率更高的26万脉冲的同步编码器（18位），低速时的同步运行精度大幅度提高（是原有的16倍）；可以同时进行同步控制和PTP定位控制，实模式、虚模式混用功能；增加了保护客户的知识产权的安全功能，可以通过添加密码保护用户的程序；定位功能适合纺纱机等装置。
运动系统的使用更加容易：实现了工程环境的集成；继承了Q系列PLC和多CPU系统；原有的Q系列运动控制器的用户程序可以简单地再使用。
新功能
相位补偿功能：使用同步编码器进行跟踪同步时，对于使用同步编码器的伺服电机轴端，由于处理延迟等会发生相位偏差，在这种情况下，相位偏差补偿功能可以消除偏差。如果使用动作凸轮，可以消除同步编码器和凸轮角度的相位偏差。适用电子凸轮与传送带速度同步，使用电子凸轮使刀具动作。
定位功能：可以使伺服电机以指定速度转动、在停止指令为ON之后停止在指定位置。不但可以进行运行中的速度改变，加减速时间也可以任意变更。
与设置软件的融合：设置软件和伺服放大器之间的通信可以通过运动控制器进行。只需连接计算机和运动控制器就可以调整多个伺服放大器。
编程环境
编程环境应有以下4种情况。其一、运动监视：执行中的步在流程图中用颜色表示，执行/指定步的软件监视／测试；其二、伺服参数设定：从参数设定画面直接启动设置软件；其三、监视与测试：当前监视与历史监视，通过点击鼠标进行原点回归/JOG等各种测试；其四、数字示波器应用：附对运动控制周期中进行同步时间采集，并对波形进行显示及保存/打印。