选择正确的运动控制架构

设计一个机器控制器完全是关于架构的选择。要构建一个提供精确运动控制的运动控制器，首先要确定放大器(驱动器)的位置，是否使用网络，以及是否有可能将整个控制器构建在一张卡上。

这些问题的答案几乎完全取决于以下五个因素:

1. 在整个生产周期内将生产多少台机器?
2. 对控制器的形状、尺寸、连接方式等是否有具体要求?
3. 这些电机的功率范围是多少?
4. 机器的路径规划和运动同步的本质是什么?
5. 上市时间有多重要?

着眼于这五个问题，以下信息将调查当今使用的主要运动控制架构。

架构1:现成的运动卡

机器控制器的第一个主要架构如图1所示，对于许多读者来说，这是一种熟悉的形式。在这种架构中，购买的现成运动卡连接到外部放大器，该放大器接受+/- 10 V模拟信号输入并控制电机的扭矩或有时速度。

机器控制器由一个或多个这些专用运动卡、连接到运动卡的电机放大器和一台主机(通常是PC机)组成，主机保存控制整个机器行为和用户界面管理的用户代码。

当使用这种方法时，要做出的主要选择是运动卡与主机的连接和卡的形状因素。流行的总线格式包括PCI、PC/104、CANBus和以太网。其中一些格式，如PC/104总线，或多或少地规定了卡的机械包装。串行总线连接卡，如CANBus和以太网，有时被称为独立卡，有各种形状和大小。

现成的运动卡有很多优点，最主要的是灵活性。运动控制器与电机功率水平无关，通常与电机类型无关。例如，如果运动控制器输出单相+/- 10v信号，则可以连接到直流伺服电机放大器或无刷直流电机放大器(只要放大器执行换相)。如果用户想要增加电机的功率或改变电机类型，则不需要改变运动卡，只需要改变放大器。

这种体系结构的主要缺点是布线复杂性和成本。对于典型的伺服运动轴，根据是否使用差分信号(强烈推荐)以及控制器或放大器是否执行换向，有15到25根电线连接到每个电机轴。想象一下，使用这种方法为10轴系统构建一个控制器。它需要将数百根电线捆扎在机器中，这是一种复杂、昂贵且容易发生故障的设计。

另一个缺点是，从货架上购买的卡片的形状因素通常更复杂的服务。运动卡有问题吗?是放大器的问题吗?是布线有问题吗?更多的部件到机器控制器意味着更多的区域来评估是否有问题。

新的现成开发项目

随着开关放大器功率密度的快速提高，一种标准现成运动卡的变体已经越来越受欢迎。现在许多运动控制卡都带有可选的背负式放大器卡(图2)。例如，3轴运动卡可以直接安装在3轴背负式放大器卡上，而不是通过电缆连接到分立放大器。

另一种变体的背驮式放大器卡是一个自定义的互连卡，包括放大器。这可能是有利的，因为现成的卡装载了特定的连接器，而定制的互连卡可以具有针对机器优化的连接器。

体系结构2:机器控制卡

在集成机器控制卡方法中(图3)，微处理器保存机器应用代码;一般来说，一个单独的运动控制器IC，也称为运动处理器，生成轮廓，进行伺服回路闭合，并管理轴控制的时间关键要素。

机器控制卡可以通过按钮或键盘和屏幕直接与用户交互，或者它们可以是通过以太网或其他网络连接从主机接收命令的子系统。

这种方法的许多优点包括更容易维护，因为整个控制卡是一个简单的换出，减少布线，因为放大器是板载的，应用定制的外形尺寸和连接器，以及更低的每个控制器成本。

主要的缺点是与现成的运动卡相比需要更多的设计工作。不过，人们可以购买运动处理器来简化构建机器控制卡的任务。这将在下一节中讨论，以及设计自己的放大器和各种放大器方法可用的功率水平的问题。

制作或购买运动处理器IC

在设计机器控制卡时，必须决定是购买现成的运动处理器IC，还是通过编写微处理器或DSP从头开始构建运动控制IC。

图4显示了一个基于通用运动处理器IC的示例图。这些单元提供轮廓生成、伺服回路闭合、换相和无数时间关键功能列表，如自动安全响应、可编程断点和自动运动轴管理。

所示的芯片组同时提供四个轴的控制，但版本可从一个到四个轴。这种基于芯片的产品有许多供应商。

现成的产品附带了连接到各种编码器和放大器的示例原理图，以及通过提供运动示波器功能和自动设置轴连接来帮助开发机器的软件包。

购买这些芯片可以节省设计轮廓生成器算法和编写伺服补偿滤波器代码的时间。可以使用DSP供应商提供的库来实现这些功能，但它们通常需要针对特定的应用进行定制，并且需要在适当的时间将所有内容组合在一起。伺服更新程序应该计算和输出它们的值与节拍器一样的一致性，以尽量减少不必要的谐波在运动输出。

从头开始的理由

所以直接使用微处理器或DSP来进行运动控制是疯狂的，对吧?不一定。在很多情况下，从头开始编写所有内容，或者从DSP或微处理器供应商提供的库开始是一种很好的方法。

对于初学者来说，通用微处理器的成本通常低于专用运动处理器ic。如果音量足够大，这就变得很重要。此外，如果运动配置文件相当简单，并且所讨论的机器控制器不需要在许多不同的设计中使用，那么编写运动代码可能是一种方法。

当设计一个机器控制器卡(或设计一个定制的背驮式放大器卡)时，有三种主要的方法来提供放大。选择取决于所需的电机类型和功率水平。表2提供了一些有用的放大设计选择指南。

单片机集成电路指主要半导体供应商提供的低成本(每轴约5至15美元)可焊接集成电路。它们的最大输出功率通常在150w左右。这些单元中有些可以提供电流控制，有些则不能，这取决于电机类型。

焊模块指每轴成本在50至100美元之间的小单位，其大小相当于一副纸牌或更小。这些项目来自各种运动控制供应商。它们提供电流控制和放大，可以驱动到更高的功率水平，总输出350w或更高。

离散的设计是指带有预驱动器、电流检测电路、mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)或igbt(绝缘栅双极晶体管)以及附加控制和保护电路的开关放大器电路。每轴组装零件的成本从每轴15美元到35美元不等。

作为一般的经验法则，除非体积非常大或空间和功率要求非常高，否则现成的组件最适合放大。尽可能使用单芯片集成电路或可焊接模块。

架构3:独立运动控制器

另一种用于构建机器控制器的架构是独立运动控制器，也称为智能放大器或索引器。在这种方法中，运动控制器是一个盒子，通常安装在机架上或din轨道上。这些驱动器通常但不总是单轴，并与直流母线电压馈电;对于更高功率的版本，它们由墙上的交流电供电。该体系结构如图5所示。

把这些盒子想象成包装在盒子里的现成运动卡。然而，这些产品往往服务于特定的行业，并具有与外部世界的特定接口。构造出来的机器往往是物理上分散开来的。

这种机器的典型例子是工厂规模的连续处理设备，如装瓶设备或糖果制造商。物料沿直线向下移动，并与大量运动驱动器相互作用，这些驱动器执行小而简单的局部功能，如推、拉、切、填等。一个或多个plc或pc提供整体控制，但每个驱动器由本地传感器触发，以实现制造物品经过它们时的最大速度和精度。为了使这项工作，每个本地独立运动控制器都有一个索引器或带有I/O控制位的PLC输入连接器。这些输入位可以控制诸如移动到预编程位置或执行特定CAM配置文件等功能。独立运动控制器的现代变体包括将程序下载到板载存储器的能力，以便每个驱动器可以执行自主的动作序列，例如，“以速度x启动电机，当信号y变高时，然后滑行到停止，之后等待z。”

当每个轴的行为相当简单且或多或少具有自主性时，独立控制器工作得很好。此外，与使用外部放大器的现成卡相比，布线简化了。每个单元都包含一个完整的单轴控制器，因此用于将运动卡互连到放大器的布线在盒子里，看不见。

至少从历史上看，主要的缺点是单机控制器往往很大，相对昂贵，并且使用以plc为中心的编程语言。这对于某些应用来说是理想的，因为这些装置易于维修并且非常坚固。但如果机器的大小与汽车相当或更小，这种架构可能不是最佳选择。

架构4:分布式驱动器

最终的运动架构使用称为分布式驱动器的运动模块串(图6)，将多轴运动卡的同步能力与减少的布线和增加的独立运动控制器的鲁棒性相结合。分布式驱动器使用网络与中央主机通信，但仍然具有配置文件生成，放大和内部交流或直流电源管理的所有标准驱动器功能。

根据应用程序的不同，使用了两种分布式驱动器。第一种可以称为紧耦合驱动。它使用高速和确定性网络，如SERCOS、EtherCat或Ethernet/Powerlink。紧耦合驱动器需要运动卡或运行特殊软件的PC来同步和协调每个轴的运动。每个驱动器接收快速的位置和/或速度更新，通常每秒几百甚至几千次。

第二种类型的分布式驱动器可以称为松耦合驱动器。它使用速度较慢的网络，如以太网、CANBus和RS-485。松耦合驱动器也由主机控制，但在驱动器中利用更多的分析功能。在这个体系结构中，命令被发送到每个驱动器，例如，“使用点到点s曲线将轴移动到位置x。”这些驱动中的交互往往更加自主，并使用本地传感器输入。

分布式驱动器的优点是，无论是紧密耦合还是松散耦合，都减少了布线，提高了可靠性。另一个优点是可伸缩性。在分布式驱动器网络中增加一个轴很简单，只需插入另一个驱动器即可。例如，在多轴运动卡架构中，如果必须在4轴卡上添加第五个轴，则添加另一个轴可能需要购买全新的卡。

定位电机上的驱动器

分布式驱动架构的一个重要变化是将驱动器定位在电机本身上。这种方法消除了从驱动器到电机的所有接线，因此具有连接简单的优点。

这种方法的一个挑战是，当电子设备安装在电机上时，将有电机的额外热量输出，以及电机运行引入的任何振动环境。请记住，如果电子设备发生故障，则必须更换整个集成控制器/电机单元，这对于机器及其接入点来说可能是可行的，也可能是不可用的。

这些一体化设备的成本可能是有利的，也可能是不利的，这取决于你的应用。成本优势源于布线和相关施工成本的减少。成本劣势源于这样一个事实，即电子设备可以在电机苛刻的物理和热域中运行，这在设计和包装上很棘手。

做最后的决定

什么时候使用一种架构方法而不是另一种?没有简单的答案，有时对于给定的应用程序，两种体系结构可以同样很好地使用。

从广义上讲，对于成本更敏感的应用，如果可能的话，最好设计一个卡并集成板载放大器。能够为应用程序选择特定的连接器和设置卡的形状因素是很有帮助的。

高度同步的应用程序(如机床)将倾向于采用紧密耦合的分布式驱动方法。虽然不便宜，这些驱动器允许在电机类型和功率范围有很大的灵活性。不要忘记，这种方法仍然需要运动控制卡来生成整体路径，或者您将使用运行专用g代码软件的PC。

医疗自动化、半导体自动化、科学仪器和低功耗通用自动化等大量中间应用可以通过多种方法实现，包括现成的运动卡、定制的机器控制器卡和松耦合的分布式驱动器。

Chuck Lewin是Performance Motion Devices (PMD)的创始人和工程副总裁，该公司是一家基于芯片的运动控制产品供应商。

www.pmdcorp.com

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