运动控制基础

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1、021-65557838 800-820-3622 National Instruments 运动控制基础 该技术指南是NI测量基础系列的其中一部分。该系列的每篇技术指南讲解一个常见测量应用主题，内容包括理论概念和应用实例。在本文中，您将学习运动控制系统的一些基础知识，包括软件、运动控制器、驱动器、电机、反馈设备和I/O。 目录 运动控制系统组件 用于配置、原型和开发的软件 运动控制器 运动类型 电机放大器和驱动器 电机和机械元素 反馈设备和运动控制I/O 运动控制系统组件 下图显示了一个运动控制系统的不同组件。 图1 运动控制系统组件 应用软件您可以使用应用软件指定目标位置和运动控制方案

2、。 运动控制器运动控制器作为系统的大脑，控制期望目标位置和运动方案，建立运动轨迹供电机跟踪，对于伺服电机输出一个10 V的信号，或对于步进电机输出步进脉冲和方向脉冲。 放大器或驱动器放大器（又称驱动器）从控制器取得命令，生成驱动或运转电机所需的电流。 电机电机将电能转换成机械能，并产生移动到期望目标位置所需的转矩。 应用软件 运动控制器放大器/驱动器 机械 电机 位置 反馈设备 位置反馈 电压 电流 021-65557838 800-820-3622 National Instruments 机械元素电机被设计来为某些机械提供转矩。这些包括线性滑杆、机械臂和特殊执行器。 反馈设备或位置传感

3、器对于某些运动控制应用（例如控制步进电机），位置反馈设备并不是必须的，但是对于伺服电机而言却是关键的。反馈设备通常是一个象限编码器，用于感知电机位置并将结果汇报给控制器，从而构成运动控制器闭环。 用于配置、原型和开发的软件 应用软件分成三个主要类别配置、原型和应用程序开发环境（ADE）。以下框图显示了运动控制系统的编程过程和NI公司为这些过程设计的对应产品： 图2 运动控制系统开发过程 配置 首先是配置您的系统。为此，NI提供了测量与自动化浏览器（Measurement and Automation Explorer），它是一个交互式工具，不仅可以用于配置运动控制，还能够配置所有其他NI硬件。

4、对于运动控制，测量与自动化浏览器提供了交互式测试与调节面板，帮助您在编程之前，验证您系统的功能。 图3 NI测量与自动化浏览器(MAX)是用于配置和调节您运动控制系统的交互式工具 配置 建立原型 应用程序开发环境 测量与自动化浏览器 运动控制助手 用于LabVIEW, Measurement Studio, C/C+ Visual Basic的NI 运动驱动程序021-65557838 800-820-3622 National Instruments 原型 在您完成系统配置之后，您就可以开始建立原型并开发您的应用程序了。在这个阶段，您创建您的运动控制方案，并且在您的系统上进行测试以确保它

5、们能满足您的需求。对于建立原型，NI提供了NI运动控制助手（NI Motion Assistant）工具。NI运动控制助手是一种交互式工具，您可以使用指点式环境设置运动，并根据您设置的运动生成LabVIEW代码。NI运动控制助手的重要优势在于可配置环境和可编程环境之间的区别。您可以使用可配置环境，无需编程就开始您的开发。您可以将NI运动控制助手中可用的任务看作是预先完成的代码块，您仅仅需要按照您的需求进行配置。另一方面，可编程环境要求您使用标准的编程语言，例如LabVIEW、C或Visual Basic来完成您的任务。不幸的是，许多可配置环境在功能方面或在与运动系统之外的其他I/O设备集成能力

6、方面有局限性。NI运动控制助手通过提供所有可配置系统的特性以及LabVIEW代码生成功能，填补了可编程环境和可配置环境之间的差距。 图4 NI Motion Assistant帮助您快速建立应用程序的原型，并将您的项目转化为LabVIEW VI或C代码供未来开发 开发 在建立原型之后，下一步是开发最终应用程序的代码。为此，您在LabVIEW、C或Visual Basic等ADE中，使用驱动程序级软件。对于NI运动控制器，您可使用NI运动控制（NI-Motion）驱动程序软件。 NI运动控制驱动程序软件包含用于在Windows或LabVIEW实时中与NI运动控制器进行通讯的功能。NI运动控制同样

7、包括测量与自动化浏览器帮助您方便地配置和调节您的运动控制系统。 对于非Windows系统来说，您可以使用运动控制硬件DDK手册开发您自己的驱动程序。它解释了在底层如何与NI运动控制器进行通信。如果您没有开发您自己驱动程序的专业知识或时间，NI的联盟合作伙伴Sensing Systems公司提供Linux和VxWorks驱动程序，并能为其他操作系统创建驱动程序，例如Mac OS X或RTX。 021-65557838 800-820-3622 National Instruments 运动控制器 运动控制器作为运动控制系统的大脑，计算每一个移动命令的轨迹。由于这项任务非常关键，它通常在板载的

8、数字信号处理器（DSP）上进行，以防止主机计算机干扰（你一定不希望您的运动控制因为您的防毒软件开始执行而停止）。运动控制器使用它计算得到轨迹，来确定适当的转矩命令，发送至电机放大器并真正完成运动。 运动控制器必须构成PID控制闭环。由于控制闭环需要高度确定性并且对于操作一致性非常关键，因此控制闭环一般在板子本身构成。在构成闭环控制的同时，运动控制器还通过监督边界和紧急停止管理来监督控制，以确保安全操作。指导这些每一个操作在板子上或实时系统上进行确保了创建一个可以工作的运动控制系统所必须的高可靠性、确定性、稳定性和安全性。 计算轨迹 运动轨迹描述了运动控制器板子对驱动器/放大器的控制或命令输出，

9、产生按照方案的电机/运动动作。典型的运动控制器根据您编程设定的参数值计算运动方案轨迹段。运动控制器根据您制定的期望目标位置、最大目标速度和加速度值，确定它在三个主要移动段花费的时间（包括加速、恒定速度和减速）。 对于典型梯形方案的加速段，运动从停止位置或上次移动开始，按照预先确定的加速斜坡直至速度达到运动的目标速度。 图5 典型的梯形速度方案 运动以目标速度持续一个预先确定的阶段直至控制器确定减速段的时间开始后，运动进行减速直至精确地在期望目标位置停止。 如果运动比较短以至于减速段的开始点在加速段完成之前开始，梯形方案就变成了三角形方案，实际达到的速度可能会小于期望目标速度。S曲线加速/减速是

10、一种基本的梯形轨迹增强方法，其中加速和减速021-65557838 800-820-3622 National Instruments 斜坡被修改为非线性、曲线方案。这种斜坡形状的精细控制对根据惯性力、摩擦力、电机动力学和其他机械运动系统限制，调整运动控制轨迹性能非常有用。 选择正确的运动控制器 NI提供三个主要的基于DSP的运动控制器，低成本的NI 733x系列、中端NI 734x系列和高性能的NI 735x系列。NI 733x系列低成本控制器提供四轴步进电机控制和大部分您在很多应用中所需要的基本功能，包括单轴和多轴点对点运动。NI 734x系列是提供多达四轴步进电机和伺服电机控制、以及

11、一些如轮廓探索和电子齿轮等高性能特性的中端系列。NI 735x系列是最先进的系列，提供高达八轴步进电机和伺服电机控制、附加I/O和许多强大特性，包括为无刷电机提供的正弦换向和为高速集成提供的4 MHz周期断点（或位置触发）。 建立定制运动控制器 尽管现有带DSP的运动控制器可以适用于许多应用，对于高达200 kHz伺服电机更新速率的高精度运动控制而言，机器制造者们选择在定制的PCB板上，设计他们自己的运动控制器。这种开发不仅费时费钱，而且由于这种运动控制器的固定功能使系统对于未来重新设计或在运行阶段改变运动控制算法变得不灵活。需要如此高等级精度和灵活性的应用包括半导体行业中的芯片处理机器或汽车

12、行业中运行阶段可重新配置串联车辆顺序（ILVS）的装配线。NI的可重复配置I/O（RIO）技术与NI SoftMotion技术仪器为需要带有FPGA完全灵活性的高精度定制运动控制的机器制造者们提供正确的工具。除了高精度应用之外，机器制造者和OEM厂商还可以使用NI SoftMotion开发模块实现多轴联合运动控制，使用LabVIEW在许多平台上开发从工业PC和PXI使用的NI内置式M系列DAQ设备直至使用NI CompactRIO和NI Compact FieldPoint可编程自动化控制器（PAC）的坚固系统。 运动类型 单轴、点对点运动 最常用的类型是简单的单轴、点对点移动，它需要给定沿轴

13、向要移动到的位置。通常，它还需要给定您希望运动的速度和加速度（一般使用缺省设置）。下面的程序框图显示了在LabVIEW中如何使用缺省速度和加速度，沿一个轴向移动。 图6 LabVIEW中的单轴、点对点运动 联合多轴运动 另一种运动类型是联合多轴运动，或称向量运动。这种移动通常是点对点运动，但是在二维或三维空间中。向量运动要求最终位置在X轴、Y轴和/或Z轴上。您的运动控制器同样要求给定一定类型的向量速度和加速度。这种运动方案常常应用在XY型的应用中，例如扫描或自动化显微技术中。下面的程序框图显示了如何使用LabVIEW完成一个二轴移动。获取更多关于联合运动的信息，请查看NI运动控制驱动程序软件L

14、abVIEW Multiaxis.llb库中的范例。 021-65557838 800-820-3622 National Instruments 图7 LabVIEW中的联合多轴运动 混合运动 混合运动包括两种混合在一起的运动，它们之间相互混合好似一种运动一样。混合运动需要给定两种运动和确定混合方式的混合因子。混合对于存在两种不同运动、需要连续运动的应用来说非常有用。然而，在混合运动中，您的系统不会通过您原始轨迹上的每一个点。如果沿着路径中指定的位置对您很重要，可以考虑轮廓运动。 图8 混合运动 下图解释了在LabVIEW中混合两种向量运动。获取更多关于混合的信息，请查看NI运动驱动程序

15、软件中的混合向量运动顺序范例程序。 021-65557838 800-820-3622 National Instruments 图9 LabVIEW中的混合运动 轮廓运动 在轮廓运动中，您可以提供一系列位置缓冲，并创建一条通过它们的光滑路径或仿射曲线。轮廓运动相比混合运动更有优势，因为它确保系统通过每一个位置点。 图10 轮廓运动 下面的程序框图解释了使用LabVIEW的轮廓运动。获取更多关于轮廓运动的信息，请查看NI运动驱动程序软件中Contouring.llb范例库中提供的范例。 021-65557838 800-820-3622 National Instruments 图11 LabVIEW中的轮廓运动 电子齿轮 您可以使用电子齿轮模拟在两个啮合齿轮之间可能发生的运动，而无需使用真实的齿轮。要使用