運動控制的基礎
運動控制需求
在工業和醫療領域中，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型別的電動機。每種電動機都需要有獨立的輸入訊號來激勵電動機，然後將電能轉換成機械能。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訊號。
另外，運動控制還具備一些高階功能，因此可以基於模組搭建高效地實現指定的應用，為一些常規任務提供解決方案，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條件，而這則需要一些複雜的控制處理演算法和機械系統的反饋資訊。最後(但並不是最不重要的)，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徵，如限位開關(limit switch)和i/o通道，用以收集狀態資訊並執行停止程式。
運動控制系統的元件
下圖描述了運動控制系統的基本組成部分。
圖1. 運動控制器是運動控制系統的核心。
你所開發的應用軟體便是你應用程式中的特定部分。應用軟體定義了運動配置檔案，以及特定事件觸發並影響配置檔案的方式。應用軟體由好幾個可選的層次構成。
通常來說都包含乙個使用者介面程式，用以實現互動式操作。很多運動控制應用都包含應用層，實現警報處理和資料庫連線性(連線到乙個scada系統)。它們還通常包含由運動控制器執行的運動控制指令。
運動控制器的製造商提供了應用軟體的開發環境。
根據上述內容，運動控制器建立運動配置檔案。根據這些配置檔案，控制器將訊號(通常是±10 v，或者步進訊號與方向訊號)通過放大器或者電動機驅動傳到電動機。放大器的任務就是從控制器接收訊號，然後將它們變成可以驅動電動機轉動的訊號。
隨著電動機運轉，反饋裝置——通常是位置感測器——會將位置資訊反向傳遞至控制器，構成閉環控制環。運動控制器通過位置感測器獲取電動機的位置資訊，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裝置，以保證該電動機所驅動的機械系統能夠正確執行。
雖然反饋裝置提供了位置資訊，但有時還需要向控制器傳遞一些特殊的反饋資訊，譬如壓力感測器或者震動感測器的資料。
運動控制器的架構
運動控制器就像是運動控制系統的大腦，它要計算每個預定運動軌跡。該任務非常重要，因此它需要乙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，然後將其傳送至電動機放大器，才真正產生運動。
控制器還必須通過監測限制條件和緊急制動條件，來關閉控制環並處理監控(supervisory control)，從而保證安全操作。這些操作都必須實時實現，以確保有效運動控制系統所必需的高度可靠性、確定性、穩定性和安全性。
圖2.運動控制器架構
下面描述運動控制器的各種不同任務。
監控 – 提供了執行特定操作所需的命令順序安排和協調。這些特殊操作包括：
系統初始化，其中包括返回到零位置。
事件處理，其中包括：電子傳動，基於位置資訊的觸發輸出，基於使用者定義事件的配置檔案更新。
故障檢測，其中包括：遇到限位開關停止運動，遇到緊急制動或者驅動故障、看門狗等時的安全系統反應。
軌跡發生器 – 根據使用者定義的配置檔案進行路徑規劃。
控制環 – 執行快速的閉環控制，在單軸/多軸上同步維持位置、速度和軌跡。控制環根據反饋資訊來處理位置/速度環的關閉，並決定系統的響應和穩定性。在步進式系統中，由步進發生元件構成控制環。
該控制環包含乙個插值元件或者樣條引擎(spline engine)，在軌跡發生器所計算出的兩個設定點之間進行插值。這樣，控制環的執行速度就會快於軌跡發生器。圖2描述了ni運動控制器的功能架構。
運動i/o – 作為模擬和數字i/o，傳送並接受來自於運動控制系統其餘部分的訊號。一般來說，模擬輸出用作驅動的命令訊號，數字i/o則用於正交編碼訊號，作為電動機的反饋訊號。運動i/o實現位置斷點和高速捕獲。
同樣，監控也使用運動i/o來實現必需的特定功能，如響應限位開關、生成初始化系統所需的運動模式等等。
ni公司提供了兩種實現高效能運動控制系統的方式：
針對pci或者pxi的基於dsp的外掛程式式運動控制器
採用ni labview ni softmotion module的定製化運動控制器
圖3. 基於dsp的外掛程式式運動控制器
圖4. 採用labview ni softmotion module的定製化運動控制器
基於dsp的外掛程式式運動控制器
ni公司所提供的外掛程式式運動控制器覆蓋了很大範圍——從針對複雜需求的全功能、高效能的控制器，到針對點對點運動應用的低成本、效能穩定的運動控制器。針對高精度應用，為了實現最高30khz的快速伺服更新速率，這些控制器採用了一種雙處理器架構。這兩個處理器，乙個是**處理單元即cpu，乙個是訊號處理器即dsp，兩者一起構成了ni運動控制器的支柱。
控制器cpu是一塊32bit的微控制器，它執行多工的嵌入式實時作業系統，解決了大多複雜運動控制應用中所必需的效能和確定性方面的要求。該cpu的主要任務有命令執行、主機同步、i/o反應和系統監督。
dsp的主要職責則是實現快速的閉環控制，在多軸上同步維護位置、速度和軌跡。它也關閉位置環和速度環，並直接發指令使扭矩傳至驅動器或者放大器。運動i/o是以硬體形式實現在非定製化的fpga(現場可程式設計邏輯陣列)上，它包含有限位/引導開關檢測(limit/home switch detection)、位置斷點和高速捕獲。
這保證了斷點和高速捕獲的延時非常短，延時範圍大約在幾百納秒。
運動控制處理器採用看門狗定時器硬體監測。看門狗定時器可以用來自動檢測軟體異常，如果有異常發生則會自動重置處理器。該看門狗定時器檢查處理器是否正常執行。
如果運動控制器上的韌體無法在62ms內處理事件，則看門狗定時器將重置運動控制器，並不允許進一步通訊直至你明確地重置了運動控制器。這保證了運動控制系統的實時操作性。
這些基於pci或者pxi的外掛程式式運動裝置是設計用於實現windows或者實時作業系統中的可靠、精確控制。它們借助於強大的api，並支援諸如ni運動控制器之類互動式工具，從而降低了開發時間。ni 7350系列是ni公司效能最好的運動控制器家族，它們提供了最高8軸的步進式或伺服式運動控制、額外i/o以及很多強大的功能，包括無刷式電動機的正弦換向、高速整合中的4mhz的週期性斷點和位置觸發。
因為這些外掛程式式運動控制器裝置都是基於pci或者pxi的，所以你可以將它們與多種多樣的額外i/o模組整合到一起，並方便地將它們與其它硬體結合在一起，實現資料採集或者影象處理。至於如何將運動控制裝置連線至驅動器和電動機，ni提供了好幾種電纜和連線塊選項。
定製化運動控制器
雖然採用dsp的外掛程式式運動控制器適用於很多應用場合，但是你也需要一些定製化的運動控制器以實現高精度的運動控制，其伺服更新速率最高可達200khz。這些要求如此高精度和高靈活性的應用有：半導體行業中的晶圓加工裝置，汽車行業中的可在執行時重新配置的內聯汽車測序(ilvs)流水線。
對於那些要求高精度的定製化(基於靈活的fpga)運動控制的機器設計者們而言，ni可重新配置i/o技術(rio)和ni softmotion技術一起提供了理想的工具。除了高精度應用外，機器設計者和oem(原始裝置製造商)們還可以使用labview ni softmotion模組，借助於各種平台上的labview影象化開發環境，來實現多軸協調的運動控制。有些應用需要堅固、緊湊的系統，則可以使用ni compactrio可程式設計自動控制器(pac)。
將labview ni softmotion中的高階功能塊api和ni的c系列新型驅動介面組合一起，可以快速開發出強大的運動應用，並應用於大量的步進式或伺服式驅動。
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