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案例頻道作者簡介
王曄（1976-），寧夏銀川人，工程師，本科，現就職于北京和利時機器控制技術有限公司，研究方向為工廠自動化、智能裝備、自動化產線、運動控制。
隨著社會發展的需要，各制造企業對機器裝備自動化、智能化水平的要求不斷提高，做為核心技術的運動控制系統，其作用更為突出。運動控制器在運動控制系統中，又占有舉足輕重的地位。本文從基礎概念層面跟大家交流三個問題：運動控制的基本概念，運動控制器類型及適用場合，運動控制器發展的未來趨勢。
1 運動控制的基本概念
客戶看到的市場情況就是很多廠商都說自己做運動控制，做運動控制器的廠商說自己在做運動控制，伺服廠商也說自己做運控控制，做電機、編碼器、絲桿的廠商也宣傳自己專業是做運動控制。實際上大家都沒錯，但這樣給市場的印象是比較零散的，而客戶期望的是有人能夠較為系統地將運動控制全貌描述給自己。
運動控制起源于早期的伺服控制，運動控制技術主要是伴隨著數控技術、機器人技術和工廠自動化技術的發展而發展的。簡單地說，運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動。
運動控制是通過運動控制系統來實現的。運動控制系統是由多個環節組成的一套精密耦合的系統，缺少了任意一個環節，都不可能完成特定的動作控制，而且每個環節中所涉及的專業知識又相對比較獨立。
運動控制系統主要包含了執行機構及控制機構。執行機構主要指執行動作的電機、液壓泵、氣缸等部件動作，帶動各類機械機構用以輸出各類動作。控制機構主要指伺服驅動器及運動控制器（或帶運動控制功能的PLC等）、伺服驅動器、伺服電機、以及用以形成閉環調節時所需的反饋部件，如編碼器、光柵尺、視覺系統等。
淺談運動控制系統核心——運動控制器本文主要探討的是運動控制系統中的控制機構。
在此簡單描述一下運動控制系統的全貌，如果將一整套運動控制系統比作一個人的話，那么運動控制器就相當于一個人的大腦，伺服驅動器就相當于人體的肌肉組織，伺服電機就是我們的手和腳，視覺系統、編碼器就相當于我們的眼睛和耳朵，用于連接各個部分的信號線或高速網絡就是我們人體的神經系統。各個部分配合起來，協同完成對運動的控制。
各個部分簡介如下：
運動控制器，主要用于生成動作所需的軌跡以及多軸系統的協調運動，如插補聯動等。此外，高級一些的運動控制器，還可以將檢測執行機構動作的編碼器信號直接接入，兼具有對伺服的位置閉環甚至速度閉環調節的能力。運動控制器輸出的信號基本都是小信號，如高頻的脈沖、±10V的模擬量等。
伺服驅動器，主要是根據運動控制器發出的各種指令（位置、速度、力矩），進行強電轉換，驅動對應的電機產生相對應的動作。其最核心的部分是其電流環（力矩環）的控制。經過工廠自動化歷史發展的演變，伺服驅動器的功能是越來越豐富，目前市場上流行的各種伺服驅動器實際上已經基本具備了位置環、速度環、電流環的全套控制，而且有一些驅動器甚至集成了部分PLC的功能及運動控制軌跡規劃功能，在一些應用場合受到客戶的極大歡迎。但我個人理解，伺服驅動器未來發展也許最終會退回到功率轉換的基本功能，也就是只完成電流環的控制。
電機，是整個運動控制電控系統的最終執行機構。它分為很多種伺服電機，是一門專業性很強的學科，非常重要，這里不做過多敘述。
編碼器，是用來檢測各類機構位置的反饋裝置。編碼器裝在伺服電機的軸上面，用來檢測電機的位置，同時將信號實時傳輸給伺服驅動器，從而構成我們俗稱的半閉環系統。此外，有很多運動控制器也可以接收編碼器信號，將裝在最終執行機構上的編碼器信號反饋到運動控制器中，從而構成全閉環控制。編碼器還可以根據反饋信號的類型分為增量式編碼器和絕對值型編碼器。
連接方式，用以連接各個環節的方式也有很多學問，以前控制器與驅動器之間的連接基本是一對一連接，用以傳輸位置或速度信息，但這種連接方式在系統控制的軸數較少的情況下，問題不大。當系統控制的軸數超過8軸時，這種連接方式的布線及電氣信號質量穩定性就會產生很多問題，由此，產生了各類總線系統。但目前總線協議并沒有統一，各大伺服廠商紛紛推廣自己的協議，有的開放，有的封閉。
由此可見，運動控制系統的專用性較強，涉及的各個環節的內容也較多，加上各類廠家從不同角度推銷自己產品時的各類專業術語，給廣大用戶尤其是初次接觸運動控制系統的工程師，想快速選型并掌握其中的要點，并在實際應用中完成機器裝置的動作控制，造成了一定的困惑。其中，最困惑的可能要屬于運動控制器的選型及應用方面的問題。在此，針對運動控制器類型及適用場合談談個人的理解和看法，有不當之處，也請各位同仁多多包涵，并批評指正。
2 運動控制器類型及適用場合
運動控制器大體可以分為兩種類型：一種是獨立式的運動控制器，其中包括帶運動控制模塊或功能的PLC和專用運動控制器；另一種是以工控機或PC機為載體，插接運動控制卡的一種形式。這兩種類型的運動控制器在實際應用中各有千秋，不同應用場合也有著各自不同的應用要求，下面分別進行介紹。
獨立式運動控制器主要應用在對人機交互界面要求不高的場合下，加工的產品類別有限，配套觸摸屏就可以完成特定工作參數的設定和操作的場合，例如包裝機、印刷機、繞線機等。這里肯定有人會問，這些設備很多是可以用普通PLC控制的，為什么還要采用獨立式運動控制器？
那么什么時候適合采用普通PLC，什么時候適合采用獨立式運動控制器？采用獨立式運動控制器的這些設備有一個共同點就是需要控制的伺服電機的數量超過兩臺，并且電機之間需要有一定的配合動作關系，比如說聯動同步等要求，如果沒有這樣的要求，普通PLC就一樣可以適用。
另外，需要再進一步說明的是專用運動控制器和帶運動控制功能PLC之間的幾點主要區別：
第一是編程的標準化區別。專用運動控制器一般有自己較為獨立的編程環境，一般采用高級語言方式，如C、Basic等語言。帶運動控制功能的PLC一般沿用IEC61131-3的標準，采用功能塊或ST語言。
第二是對運動控制編程的視角不同。專用運動控制器采用的是以“軸”為視角和對象的編程思路，而PLC則為了與傳統的組態環境相一致，以及為了讓原有用戶較為順暢的理解，一般采用的是以各類“運動過程的功能塊”為載體，并不突出軸的特點，并且目前較大的幾家廠家聯合起來，推出了一個標準PLCOpen，里面大量描述的功能塊實際就是運動控制相關的實現問題。從這兩種編程思路來看：第一種采用“軸”為對象的編程，控制可以非常靈活，軸的動作可以根據實際情況時刻做出調整，基本上沒有實現不了的場景；第二種以“運動過程功能塊”為載體的編程，相對于第一種的編程，思路上較為傳統，比較符合傳統PLC用戶的編程習慣，但最大的缺陷就是靈活性不足，對某些復雜場景，沒有合適的功能塊能夠使用。
工控機加板卡的運動控制系統目前主要應用于電子加工設備、激光切割設備等，這類設備有兩點重要的特征決定了目前的使用情況：第一是普遍需要采用視覺系統，視覺系統需要大量的計算，PC機有較多的資源可以使用。第二是圖形化排料制板的需要，這類設備需要經常性的調整加工文件，根據不同的加工圖形文件來控制機器進行加工處理，也就是說機器與操作人員之間要有較強的互動過程，用PC或工控機配合Windows系統可以較為方便的實現這些功能，這些原因決定了目前此類應用絕大多數采用了工控機加板卡的運動控制系統。但這種應用也有隱憂，最主要的問題是系統穩定性不足。造成這個問題的主要原因是因為PC及工控機采用的是高功耗的CPU，在正常使用過程中，散熱始終會是一個較大的問題。如果機器設備本身的工作環境不好，同時又要求機器設備不停機運轉的時間較長，那么這個隱憂就會比較突出。相對于采用嵌入式低功耗CPU設計的獨立式運動控制器來講，在這點上工控機毫無優勢。但工控機也有其它優勢：例如自身采用Windows平臺，系統資源豐富，有龐大的算法驗證手段和開放性，這一點在機器人應用中尤為突出。
3 運動控制器發展的未來趨勢
最后，我們來談談運動控制器發展的未來趨勢。運動控制器從本質上講是一套系統開發平臺，應用工程師在這個平臺上結合終端設備的工作工藝，編寫對應的控制程序，從而實現各類復雜的動作控制。經過不斷的發展，未來的趨勢個人判斷主要有以下幾點：第一是開放性、靈活性、易用性并重；第二是網絡化程度日益加強；第三是可靠性要求不斷提高。開放性、靈活性、易用性是客戶接觸一套控制器的最基本評價。
開放性實際指的是系統要遵循較為通用的標準，比如IEC61131-3的標準組態語言環境，對外接口采用通用的標準協議等。靈活性指的是系統要能適應各種復雜工藝要求的能力，也就是只有用戶想不到的功能，而沒有系統實現不了的功能。易用性主要指的是人機交互的友好性及簡便性，最極致的易用性當然是指沒有接受過任何專業訓練的人也可以快速掌握系統的開發。
開放性、靈活性、易用性這三個特性在實際使用過程中，往往會互相牽扯，甚至是有些矛盾的地方。例如：為了提高系統的靈活性，就要盡可能的將底層開放給用戶。但是底層開放的越多，涉及到的專業知識及內核運行機理就必然要盡可能的讓用戶了解掌握，這樣做的結果必然是導致易用性下降；由于易用性追求的是使用越簡單越好，這樣就要求系統盡可能多的進行封裝，這樣自然又會限制了系統使用的靈活性。為了解決這些矛盾，一個好的運動控制系統必須分出不同的層次：提供最初級的接口，這些接口一定是越簡單易用越好。同時根據客戶掌握了解的程度不同，分層提供不同定義的各類應用接口以滿足靈活性的要求。做到這些，開放性、靈活性、易用性可以實現有機的統一。
未來控制系統發展的最核心需求就是如何實現開放性、靈活性、易用性的統一。這其中最核心的問題是對動作控制的理解程度。傳統PLC廠家以動作過程為主要目標，封裝各類標準化的功能塊，但缺少靈活性。專業運動控制器雖然有較好的靈活性，但其編程組態方式都是自成一派，沒有遵循統一標準。更好的控制器應該將二者進行有機的融合。此外，開放性除了遵循一定的標準之外，還需要有更為豐富的接口。傳統的控制器基本只是完成對伺服系統的控制，但隨著智能化發展的需求，越來越要求控制器能夠融合更多的系統功能，例如：對視覺系統的接入要求日益強烈。
和利時的MC系列運動控制器正是按照這樣的思路研發的產品：編程既符合IEC標準，同時又具有專業運動控制器廠家的靈活性，同時率先在業內采用雙核處理器，為接入類似視覺系統留有了足夠的可開發空間。
網絡化主要指的是控制器與伺服驅動器之間的連接形式。傳統機械設備采用的伺服數量有限，往往采用一對一直連的方式連接運動控制器和伺服。直連方式最大的問題在于布線復雜，線纜使用量較大，同時傳輸信號極易受到各種干擾。為解決這些問題，各個伺服驅動廠家紛紛推出自己的高速總線用以連接伺服驅動器及運動控制器，網絡化趨勢勢不可擋。采用高速總線后，運動控制器和伺服驅動器之間除了常規的控制命令及反饋信息傳遞外，還可以根據需要實時調節伺服驅動器的各類參數，從而實現更為復雜靈活的控制要求。但目前各家高速總線的標準尚不統一，各個伺服廠家都各自推出自己專用的總線協議，比較流行的有EtherCAT、Power Link 、安川Mechatrolink、松下RTEX、三菱CC-Link等等，這些總線協議各有特點。總的來說，核心都是為了解決高速伺服控制過程中的高速數據傳輸，未來的發展一定是逐步走向融合統一的過程。目前總線協議廠家還在進行較為充分的競爭，那么最終誰會勝出？個人認為開放性好的、市場占有率高的廠家協議標準應該有較大的機會；那些封閉的，自成體系的，不接納外圍廠家的各類協議，后續可能會被市場淘汰。
可靠性對于運動控制器來說，同樣是一項基本核心要求。機器設備長期、穩定的可靠運行是所有用戶的最基本條件。僅從穩定性這點上看，目前大量采用板卡及工控機的控制形式，未來應會逐步被各類滿足功能要求的、同時具有低功耗、高穩定性的專用控制器所替代。和利時專業做自動化控制將近25年，涉及行業從高鐵、電力、石化到機器控制，對控制系統穩定性的理解和認識是深入骨髓的。和利時設計實現的MC系列運動控制器，依然秉承并堅持了這一理念和原則。
以上是對運動控制系統，尤其是運動控制器的總體概貌的分析和說明，其中必然有許多考慮不周的地方，做此總結是為了起到拋磚引玉的作用，希望更多的運動控制專家能夠針對運動控制領域不同的要點展開積極的討論，從而促使這個細分行業能夠快速發展，為我國裝備制造領域發展做出更大的貢獻。
摘自《自動化博覽》2015年11月增刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號