运动控制:联网还是不联网?

运动控制是控制电机以影响精确运动轮廓的艺术和科学，了解运动控制架构可以帮助确定是否或何时应该使用运动控制网络。

无论是用于移动试管还是切割金属，运动控制器都可以规划轨迹，驱动和监控电机，并定期向上级控制器提供状态更新。两种主要的控制体系结构用于运动控制系统的设计;集中式和分布式。随着高速、低成本数字控制网络的引入，为构建分布式控制系统提供了新的选择。随着更高功率和更紧凑的开关放大器的出现，集中式设计增加了在一个印刷电路上驻留的控制器的数量。

了解这些技术趋势可以帮助解释这两种不同的控制架构应该如何以及何时在特定的运动控制应用中使用。

运动应用程序是什么形状?

应用程序控制问题的性质对控制方法(集中式还是分布式)在应用程序中具有优势具有重大影响。

从广义上讲，有平面运动控制应用，其中许多电机将或多或少地由中央PC或控制器控制;在层次应用中，轴被聚集成2个、3个或更多的功能轴;还有一些独立的应用，其中机器控制器在没有网络连接和监督的情况下大部分或完全运行。图1、2和3显示了这一点。

平面运动控制问题的一个例子是带有多个伺服控制轴的印刷机。在这种应用中，定时是至关重要的，中央控制器，通常是PC或PLC，必须同步驱动所有轴。这种系统中的典型命令是“将1号轴移动到X位置，将2号轴移动到Y位置，”等等。

分级运动控制应用的一个例子是半导体晶圆处理系统，该系统具有一个中心机器人(4轴)，一个晶圆对准器(3轴)和一个阀门控制器(1或2轴)。在这种架构中，网络通常将本地机器人或阀门控制器连接到中央网络，但实际的运动控制是本地的机器人、对准器或阀门。因此，整个机器控制器不会发出诸如“将机器人轴#2移动到位置12345”之类的命令，而是发出诸如“伸展机器人手臂”之类的命令，这些命令由本地机器人控制器解释并执行。

一个独立应用程序的例子是磁带归档系统，它允许操作员走到控制面板并请求检索特定的磁带。在这里，独立机器控制器可以根据本地用户提供的命令(如“检索磁带# 1234”)执行整个手臂动作序列。在这种方法中，网络(如果已连接)用于报告和监视，而不是主动控制。

插入分布式运动驱动器

在了解控制应用程序的“形状”之后，重要的是要了解可用于运动控制系统的物理设备的选项。这里将介绍两种:分布式驱动器和机器控制器卡。这些设备有很多变体，但它们都归结为这两种物理设备类型中的一种。

分布式运动控制驱动器，有时也被称为智能放大器，通过网络与中央主机通信，并提供一套运动控制器功能，如轮廓生成，闭环和放大。

根据所需的应用程序，可以使用两种分布式驱动器。第一种可以称为紧耦合驱动器，并使用高速、确定性网络，如SERCOS、EtherCAT或Ethernet Powerlink。第二种可以称为松耦合驱动器，并使用较慢速度的网络，如以太网，CANBus和RS485。

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、同步的位置和/或速度更新，通常每秒数百次，甚至数千次。

松散耦合的驱动器也由主机控制，但假定驱动器中有更多的分析功能和更大的延迟。在这个体系结构中，命令被发送到每个驱动器，例如“使用点对点s曲线将轴移动到x位置”。这些驱动中的相互作用往往更加自主，并使用本地传感器输入来停止和启动运动。

选择运动网络

可以连接到这些设备的网络可以是专用的运动网络，例如SERCOS，或者可以用于运动以及其他功能的网络。这些通用网络包括RS485, CANBus, EtherCAT，以太网Powerlink, Profibus, Interbus-S和以太网。

当我们着眼于运动控制网络时，我们将在这些网络上执行的协议是什么呢?最流行的是CANopen，它是一个托管在CANBus网络上的协议，也托管在EtherCAT上。使用此协议，可以购买现成的canopen连接传感器和运动驱动器。

不幸的是，一个完全即插即用的标准还不太现实。这是因为许多供应商在产品中构建了CANopen运动扩展，使它们与其他供应商的产品不兼容。

这些选项可能令人困惑，但对于大多数设计机器的用户来说，总线选择实际上归结为三种选择:RS-485(是的，旧的备用)，CANBus/CANopen和以太网或确定的以太网变体之一(EtherCAT或以太网Powerlink)。

有关机器控制器卡以及如何选择运动网络的更多信息，请参阅下一页

机器控制卡

分布式驱动器的主要替代方案是机器控制卡，也称为运动控制卡。区别在于运动控制卡通过背板总线连接到单独的主板或处理器卡，但这里我们将独立的单卡控制器和背板运动卡称为机器控制器卡。

在机器控制器方法中，微处理器保存机器的应用程序代码，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元素。请注意，这是可能的，特别是对于简单的控制应用，为机器应用微处理器和运动处理器是同一个。

机器控制卡方法的优点是多方面的，包括更容易维修，因为整个控制卡的维修是一个简单的换出。另一个优点是减少布线，因为放大器位于卡上。最后，卡的物理形状因素以及连接器接口可以定制以适应应用程序。

机器控制器卡有两种主要的变体:现成的和定制的。现成的卡片，特别是总线连接的运动卡，已经存在很长时间了，有几个不同的供应商。

定制卡牌，虽然更多的工作在设计方面，也是一个强有力的选择。这里最重要的趋势是放大器的集成，无论是基于IC还是基于模块，直接到卡上。

另一个趋势是使用现成的基于ic的运动控制器。这些单元提供轮廓生成，伺服回路关闭，换向，以及无数的时间关键功能，如自动安全响应，可编程断点，和其他类型的自动运动轴管理。

如何选择网络

下面是如何选择运动控制网络。某些因素可能使一种架构方法比另一种更适合。

在考虑分布式运动网络时，请尝试预测应用程序中所需的信令类型。运动的行为是否取决于位于机器另一部分的信号的状态?您会将传感器和其他非运动控制执行器(如继电器)放在网络总线上吗?如果发生错误，运动必须多快停止?

关于如何以及在多大程度上使用基于网络的方法的另一个重要考虑因素是连接机器的机械组织。这个问题解决了诸如“如果电子设备在整个机器中物理分布，将如何对机器进行维护?”尽管技术人员服务的传统卡架可能是一堆电线，但还是有必要把所有东西都放在一个屋檐下。适用性和终身拥有成本强烈影响控制系统的设计选择。

还要记住，由于重量、热量或其他环境原因，通过将放大器放置在电机附近来分配控制并不总是可行的。传统的控制齿条柜可带空调，与机器运行环境绝缘。如果控件是分布的，这通常是不可能的。

何时使用一种控制方法而不是另一种控制方法?没有容易或简单的答案，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，应用程序对成本越敏感，设计运动应用程序的人就越有可能设计一张卡，并根据功率水平集成板上放大器。在设计卡片时，可以准确地选择所需的连接器，并为特定的运动应用程序设置卡片的形状因子。

高度同步的应用，如机床，将倾向于多轴运动卡或紧密耦合的分布式驱动方法。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，整体路径生成需要运动控制卡，否则你将使用运行专用G-code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几种方法来实现，包括现成的机器控制器卡、定制的机器控制器卡或松耦合的分布式驱动器。

- Chuck Lewin是Performance Motion Devices的创始人和工程副总裁。编辑:马克T.霍斯克，内容经理，CFE媒体，控制工程、mhoske@cfemedia.com．

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关键概念

• 了解运动架构可以帮助机器设计和网络的选择和设计。
• 两个运动控制装置包括分布式驱动器和机器控制器卡。

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