电子运动控制到达天空
电子运动控制已经成为各种元素的复杂组合-电机，驱动器，放大器，运动控制器，嵌入式芯片，反馈设备，软件工具等等。这一庞大的解决方案由数百家公司提供，新进入者的名单正在扩大。
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电子运动控制已经成为各种元素的复杂组合-电机，驱动器，放大器，运动控制器，嵌入式芯片，反馈设备，软件工具等等。这一庞大的解决方案由数百家公司提供，新进入者的名单正在扩大。这种多样性产生了问题并推动了趋势。
一个经典的权衡是单源解决方案——吸引实现运动系统经验有限的用户，而子系统解决方案吸引那些具有优化所有元素的专业知识的用户。后者依赖于不同的产品一起工作，这就带来了“开放”系统的问题。控制体系结构的变化带来了另一个问题。较新的基于pc的控制与专有和基于plc的方法竞争，这些方法是运动控制的基础。基本问题与在工业控制的其他领域发现的问题大致相同。
自动化研究公司(Automation Research Corp.， ARC, Dedham, Mass)最近的一项研究考察了一般运动控制的发展趋势。ARC运动控制系统高级分析师Sal Spada表示:“新兴的开放式数字驱动和设备网络对专有供应商的拓扑结构构成了威胁。”所谓的“软逻辑”供应商通过无缝集成运动和机器逻辑功能开始了挑战。结果是一个使用pc总线运动卡的通用编程和诊断环境。pc总线运动控制器的趋势预计将继续(见图表)，但下一波发展即将到来。ARC称之为“直接与PC集成的运动控制软件组件”。由于现有系统的强大影响，这些变化需要时间来发展。
然而，一些供应商已经提供了基于pc的运动控制器独立于硬件软件解决方案。ARC引用的这些公司包括先进技术研究公司(马里兰州伯顿斯维尔)和自动化智能公司(佐治亚州德卢斯)，它们现在是日本三洋电机的一部分。MS-Windows NT的实时扩展是这些供应商的支持技术。
斯帕达认为运动控制智能的未来发展方向有两个:集中在驱动器上，或者作为基于个人电脑的软件组件。后者适用于机器逻辑控制占主导地位的应用。他补充道:“(利用现有网络的)分布式智能驱动器仍将是一种极具成本效益的解决方案，但由于高度依赖供应商进行修改，采用这种解决方案的用户将面临巨大的转换成本风险。”
电子运动控制创建了一系列应用程序，其中的一个示例将在下一篇文章中出现。也许运动控制最明显和最动态的使用是在娱乐的魔术世界(见侧栏)。技术供应商同样表现出多样性。
一个源，完整的系统
“完整的系统”是许多运动控制供应商关注的焦点。对于GE发那科自动化(Charlottesville, Va.)来说，它的PowerMotion解决方案据说为伺服和机器控制提供了完整性。PLC业务副总裁Vince Tullo表示:“从电机到操作员界面，工程师将设计用于协同工作的组件整合在一起，帮助他们实现更紧密，更轻松的集成，更快的开发周期，降低成本，提高可靠性。”GE发那科视其作为硬件、软件和服务的单一来源，为完整的运动解决方案提供从基本的单轴到复杂的多轴控制。
Galil Motion Control (Mountain View, california)的产品专长是设计最适合OEM用户的运动控制器。“我们的产品每台控制1到8台电机。电机可能是开环步进或闭环伺服有刷，无刷和液压马达，”雅各布塔尔说。控制器为无刷电机做正弦换相，并与串行，ISA, PCI, PC-104, VME和USB协议通信。
太平洋科学自动化技术集团(Rockford, Ill.)总裁Bill Fejes说:“工业继续采用无刷技术来提高空间、能源和维护效率。在此前提下，PacSci通过在无刷和步进产品方面的专业知识，专注于定位要求的运动控制。这些“技术使我们能够以经济有效的方式解决各种各样的运动控制问题，”Fejes先生补充道。模块化设计是该方法的一部分，例如，PacSci为其新系列的无刷伺服驱动器提供了多个插件选项卡。
在罗克韦尔自动化公司(Milwaukee, wisconsin)，通用运动控制也采用“综合工厂自动化控制解决方案”中的集成系统路线，而不仅仅是提供组件。Allen-Bradley通用运动控制副总裁Ken Deken评论道:“作为这些解决方案中的一门学科，运动控制技术在与整个自动化过程适当集成时实现了最大价值。”
Ormec (Rochester, N.Y.)的运动控制采用基于工业pc的系统的形式，该系统将闭环伺服与机器I/O设备、人机界面以及通用工厂自动化流行通信网络的连接集成在一起。例如打包和转换应用程序。Ormec还引用了用于大批量消费品生产的大型系统(超过4轴)的优势。
Orion运动控制器包括DSP轴控制接口。MS-Windows 95/NT软件开发环境为运动和I/O编程、触摸屏开发和通信提供了工具。
产品线的最新创新扩大了机器人的应用，如物料搬运。技术营销专家Christopher Englert解释说，一个例子是通过“混合移动”来协调两个运动轴的更高能力，这是Ormec最新版本MotionBasic(4.1)软件的一部分。
接管“直接在机器上的许多过程控制功能”描述了来自Lenze Power Transmission (Fairfield, N.J.;老翁,德国)。模块化的、特定于应用程序的软件支持硬件。目前的五个软件模块包括凸轮跟踪(用于填充，轮廓等)和注册(用于印刷和包装)。
根据Lenze的说法，机器上集成的功能使用户更容易适应过程，从而使用户受益。控制器连接到主要总线系统并相互通信，消除了“许多PLC功能”。
成熟的方向和趋势
在API Motion Inc.(纽约州阿默斯特)，电子运动控制被视为“仍是一个年轻的行业，但显示出一些成熟的迹象。”只有在过去的几十年里，这项技术才获得了一个名字，并成为一个工业部门。与此同时，API营销和销售副总裁Ken Wyman提醒我们，该领域正在进行的公司整合预计将继续发展。
至于未来几年的趋势，Wyman先生指出，“越来越强大的处理器，加上对运动控制的数字现场总线的需求不断增加，将导致智能驱动器和电机的普遍使用。”这也可能导致“减少对主机控制的依赖，如cnc, plc和运动控制卡，以处理轴和机器功能，”他补充说。
API Motion及其六家子公司提供智能步进和伺服驱动器，匹配电机，反馈设备，变速箱，制动器和离合器。
罗克韦尔公司的迪肯同样认为，运动控制技术仍是一项尚不成熟的技术，“生产力高峰还需要几年时间”。他以个人电脑为例，在集成的基础设施到位之前，个人电脑并没有充分发挥其潜力。同样，“在用户开始关注过程增益之前，运动控制的真正价值不会实现，”他说。
至于未来，Deken先生补充说:“我们将看到更多的集成需求，因为客户希望使用运动软件和硬件来协调逻辑、过程控制和操作界面产品，从而实现跨多个控制学科的完整机器控制。”
Galil的Tal博士列举了一些改进这项技术的市场需求，例如，通过直线电机和正弦变换实现更平滑的运动，减少布线和噪声干扰，这些都可以通过USB、SERCOS等网络来解决。
控制技术公司(CTC, Hopkinton, massachusetts)的市场经理斯科特·a·皮特(Scott a . Pete)说:“运动控制将逐渐被视为[整体]控制策略的一个组成部分，而不是一个单独的专业。”“为了实现未来的性能和信息收集目标”，将进一步要求所有工厂子系统(包括控制系统)的无缝集成。皮特先生将这种真正的集成路径称为“先进的控制能力”，通过更内置的智能和通信能力使其成为可能。
CTC制造自动化控制器和各种控制模块，将步进和伺服控制，I/O设备和通信集成到单个环境中。CTC的Quickstep状态语言用于所有控制功能，据说可以简化复杂的自动化项目。Quickstep处理多任务，步进和伺服控制，模拟和数字I/O点，应用通信和其他先进的功能在一个，易于理解的基于步骤的结构。减少了应用程序的实现、培训和调试时间。
成本，易用性仍然是基本的
许多制造商都有一个共同的主题，即降低成本和易用性。科尔摩根未来几年的重点是“降低客户的总采用成本”。科尔摩根正在研究新技术，其中包括“通过降低(与系统相关的)总谐波失真来改善速度控制的新电机结构设计，”销售和营销执行副总裁拉里·金斯利(Larry Kingsley)说。例如，新的电机换向和软件方法可以让用户更有效地调整他们的机器。
科尔摩根销售电子控制闭环驱动器和电机，并认为其“强项”是无刷同步伺服系统。这个广泛的产品线为四种类型的无刷伺服提供了一个共同的驱动平台。然而，金斯利说，销售的很大一部分仍然是电刷直流伺服产品，如“伺服盘”和“扭矩器”[电机]技术。
Delta Tau数据系统公司指出，更高的精度和速度、更低的成本和更灵活的系统物理配置是客户的需求。产品专家柯蒂斯•威尔逊(Curtis Wilson)看到的具体趋势包括，数字电流环路闭合器和高分辨率编码器插补器正从高端产品向主流产品转移——这是电子技术不断进步的结果。Delta Tau为各种工业自动化应用制造多轴定位运动控制器。
威尔逊预计，在接下来的几年里，运动系统的整合将“持续发酵和洗牌”。他补充说:“随着用户试图简化系统布线和配置，运动控制系统不同部分之间的数十种甚至数百种数字接口协议正在争夺市场份额。”
三菱电机自动化公司(MEA, Vernon Hills, Ill.)的高级产品工程师Sun Y. Kim说:“随着控制器平台迅速成为基于pc的平台，为多个供应商提供简单、‘开放’的访问，‘开放性’将成为未来的关键词。”“然而，目前还没有就开放的定义达成一致，这在不久的将来也不太可能改变。”在此期间，金先生建议选择一个“完整的解决方案提供商……作为最安全和最合理的选择。”可以理解的是，他把三菱电机归入了这一类。
展望未来，Ormec认为更快的处理器将推动PC和DSP技术在工业控制应用中的可见度更高。提到的其他发展包括:
连接将变得越来越重要，特别是在基于以太网和TCP/ ip的应用程序中;和
远程开发、维护和报告将成为运动控制应用程序的常态。
芯片，dsp和ic
德州仪器DSP数字控制系统集团(DCSG, Stafford, Tex)热衷于数字信号处理(DSP)。TI DCSG全球营销经理Christophe chen表示:“我们预计2001年将有15亿台无刷电机，DSP解决方案将在许多(如果不是全部的话)电机控制应用中得到普及。”他认为，“创新的架构和规模经济”使TI能够将dsp推向广泛的嵌入式控制应用。要实现这一目标，dsp的可承受性是必要的。
陈先生举了一些产品的例子。对于高性能，TI提供流行的TMS320C32浮点DSP，任何数量的价格为9.95美元。TMS320C242是一款针对大批量设备使用优化的定点DSP, OEM批量价格低于4美元。为了让设计人员能够探索电机控制的新维度，tms320f241具有20 mips DSP核心，电机控制外设，CAN控制器和芯片上的闪存。
Analog Devices Inc.(Wilmington, Mass)指出，由于低成本微控制器和dsp的可用性，电机控制取得了“从模拟ic到嵌入式数字解决方案”的进展。今天，数字处理使电机控制在从高端工业机器人到家用电器的应用中具有成本效益和节能效益。Analog Devices提供11个嵌入式定点，16位DSP电机控制器ic，针对电机类型和工业或电器使用进行了优化。
作为ic级运动控制的供应商，Performance motion Devices (PMD, Concord, Mass.)处于解决方案范围的另一端。PMD的总裁Chuck Lewin认为运动控制ic的成本一般在100美元或更低，这使得它们成为“组装运动系统的一种经济有效的方式”。他说，替代的“盒子”或运动卡方法可以运行10倍甚至更多。
除了成本之外，Lewin先生说:“运动ic让设计师对最终控制器的形状、大小和功能有了更高的控制水平。”这种方法的好处是更小的单元尺寸，更少的元素之间的连接，以及更高的可靠性。
Lewin先生指出了运动控制进入“互联网时代”的几个趋势。其中包括:
数字电流控制在放大器中被广泛接受;
内置运动处理器的更多智能放大器;和
对于控制器，增加使用分布式网络(例如，CAN，以太网，SERCOS和DeviceNet)。
然而，他警告说，缺乏标准阻碍了运动控制分布式网络的快速采用。
运动中的步骤
智能运动系统公司(IMS, Marlborough, Conn.)将小型电机市场视为运动控制行业中增长最快的领域之一。IMS表示，随着企业转向电动运动控制以提高生产效率，小型电机市场将在未来几年受益。
IMS专业设计和制造微型步进驱动器和步进电机。例如，IM483I，一个4安培的微步进，测量只有2.75×3×1.2英寸。，包括内置索引器。其Lynx运动控制系统与步进和伺服驱动器接口;模块化设计促进了分布式控制。强调价格、性能和包装。
Oriental Motor USA Corp. (Torrance, Calif.)是一家机电一体化运动公司，提供各种小型交流感应、步进和无刷直流(bldc)电机，以及用于精密自动化的相关驱动器。齿轮箱和制动器组合在各种电机驱动器包中。东方的运动解决方案包括1至200瓦的固定速度，变速，扭矩控制和位置控制(开环)。典型的用户是医疗、半导体制造和工厂车间应用程序。
交流和直流变速控制都采用东方电机品牌，而2相和5相混合步进电机(在Vexta品牌下)和相关驱动器使用微步进技术提供精确定位和平稳速度。
软件和软逻辑
软件公司及其开发在运动控制领域的影响力越来越大。
“一个单一的集成编程和执行平台”是steplecase Software公司(Ann Arbor, michigan)对其运动产品的称呼——视觉逻辑控制器(VLC)。机器逻辑和运动控制在VLC中结合使用一个数据库，一种编程语言和一个基于pc的硬件平台。
“复杂的多轴协调运动配置就像填空一样简单;不需要单独的专有编程语言，”steplecase说。一旦填好，这些运动功能块可以直接用于流程图或阶梯逻辑程序。据说VLC大大减少了与典型运动控制应用程序相关的设计，调试和维护时间。这是软逻辑新世界的一部分。
软件公司继续在他们的产品中添加运动功能。ASAP Inc.就是一个例子，该公司最近推出了一个名为Motion Direct的工具包，可以将各种运动控制卡快速连接到其基于pc的旗舰asic控制套件上。1998年6月，ASAP宣布Motion Direct支持Galil运动卡。
PMD的Lewin先生总结道:“随着硬件控制器产品开始变得越来越相似，基于软件的因素，如易用性、开放架构支持、自动调优和性能监控将成为区分产品的特征。”
与此同时，硬件并没有袖手旁观。至少有两家公司现在提供完整的伺服系统-控制器，放大器，伺服电机和编码器-所有在一个紧凑的单位。Animatics公司(Santa Clara, california)的SmartMotor系列有五种尺寸:NEMA框架17、23、34、43和56。与此同时，QuickSilver Controls Inc.(加利福尼亚州科维纳)的SilverMax产品将类似的组件封装到伺服电机外形中(NEMA 23和34)。节省空间和安装时间是最终的用户利益。
诗，运动中的复杂质朴
虽然新奇娱乐是拉斯维加斯的常态，但“空中假面舞会”以其技术元素和系统的精确协调开辟了新天地。
这个耗资2500万美元的互动观众景点位于里约套房酒店和赌场，结合了现场表演者、电子人物、天花板下降、在各个舞台上表演的精确同步的灯光和声音，以及悬挂在天花板上的五个花车。彩车从赌场区域内的可伸缩墙壁中出现，并以3英尺/秒的速度沿着头顶的轨道滑行，观众可以从阳台和赌场楼层的视线水平观看游行。这个12分钟的节目每两个小时演出一次。
协调灯光、声音、现场表演者、移动布景和50多种其他自动化效果的内在技术后勤需要一个复杂而灵活的控制系统。为了提供该项目所需的可靠性和准确性，里约酒店与Scenic Technologies (New Windsor, N.Y.)合作创建了一个自动化控制系统，以处理定位、定时和运动的复杂要求。
这个项目挑战了Scenic的设计团队。每一艘漂浮物都有自己的机载灯光、声音和单独的可编辑提示列表，它们必须分开运行，但同时运行。
Scenic Technologies开发了一个系统，该系统使用Stage Command(其专有软件包)，以及来自罗克韦尔自动化(Milwaukee, wisconsin)的16个Allen-Bradley运动控制器和2个a - b plc(5/80)，用于主要系统控制。Stage Command是一个基于pc的人机界面，通过以太网与plc和运动控制器通信。
该节目使用了三个“级别”的运动控制。10个5马力(3.7千瓦)范围内的直流伺服驱动器和电机控制各种功能(64个伺服轴)，如穿梭和轨道分流开关。当浮子沿着轨道移动时(不使用拖缆)，这些装置使轨道“对齐”电源连续性。
五个交流驱动器和五个10马力，三相A-B感应电机(每个浮子一个)推动浮子。Scenic副总裁John Hennessey解释说，速度反馈来自安装在电机上的编码器，而每个浮子上的两个编码器提供位置反馈。另外16个直流再生驱动器和直流电机提供了天花板下降运动和各种动画效果所需的更高功率。
所有机载电子设备，包括运动控制器和远程I/O站都嵌入到浮子的车厢中。Allen-Bradley plc位于赌场楼层上方的控制室，提供整体系统监控和反馈。与devicenet兼容的传感器在轨道周围每隔10英尺放置一次，检测浮标的距离。传感器通过远程I/O和以太网向主控报告，而HMI和PLC命令则通过相同的路径到达浮子。
“运动控制器很容易集成到我们的Stage Command平台中，并提供了我们需要的控制功能和灵活性，”Scenic副总裁Michael Paulin说。“运动控制模块的I/O功能加上模拟输出和编码器输入也被证明是非常有价值的。”
在娱乐界，概念和想法必须迅速转化为现实。“天空中的假面舞会”只花了13个月的时间，就从艺术家的素描变成了动态的诗歌。
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