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深圳市恒昱控制技術有限公司

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行業新聞

恒昱控制丨運動控制的基礎

發布時間 : 2017-06-13 11:10:09瀏覽量:1414

  幾乎所有的自動設施——從工業機器到醫療設備——其組件如何移動都必須按照控制方式執行。移動負載最常見的方法就是使用一些電機元件如電動機。我們來學習如何控制基于電動機的系統,并探究NI公司所提供的各種不同的機器控制解決方案。


  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類型的電動機。每種電動機都需要有獨立的輸入信號來激勵電動機,然后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信號。


  另外,運動控制還具備一些高級功能,因此可以基于模塊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,而這則需要一些復雜的控制處理算法和機械系統的反饋信息。最后(但并不是最不重要的),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征,如限位開關(limit switch)和I/O通道,用以收集狀態信息并執行停止程序。


  運動控制系統的組件


  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。

  圖1. 運動控制器是運動控制系統的核心。


  你所開發的應用軟件便是你應用程序中的特定部分。應用軟件定義了運動配置文件,以及特定事件觸發并影響配置文件的方式。應用軟件由好幾個可選的層次構成。通常來說都包含一個用戶界面程序,用以實現交互式操作。很多運動控制應用都包含應用層,實現警報處理和數據庫連接性(連接到一個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。運動控制器的制造商提供了應用軟件的開發環境。


  根據上述內容,運動控制器創建運動配置文件。根據這些配置文件,控制器將信號(通常是±10 V,或者步進信號與方向信號)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信號,然后將它們變成可以驅動電動機轉動的信號。


  隨著電動機運轉,反饋設備——通常是位置傳感器——會將位置信息反向傳遞至控制器,構成閉環控制環。運動控制器通過位置傳感器獲取電動機的位置信息,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設備,以保證該電動機所驅動的機械系統能夠正確運行。雖然反饋設備提供了位置信息,但有時還需要向控制器傳遞一些特殊的反饋信息,譬如壓力傳感器或者震動傳感器的數據。


  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,因此它需要一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,然后將其發送至電動機放大器,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,來關閉控制環并處理監控(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

  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,基于位置信息的觸發輸出,基于用戶定義事件的配置文件更新。

  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 – 根據用戶定義的配置文件進行路徑規劃。


  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。控制環根據反饋信息來處理位置/速度環的關閉,并決定系統的響應和穩定性。在步進式系統中,由步進發生組件構成控制環。該控制環包含一個插值組件或者樣條引擎(spline engine),在軌跡發生器所計算出的兩個設置點之間進行插值。這樣,控制環的執行速度就會快于軌跡發生器。圖2描述了NI運動控制器的功能架構。