基于LabVIEW NI SoftMotion的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理應(yīng)用

幾乎所有的自動(dòng)設(shè)施——從工業(yè)機(jī)器到醫(yī)療設(shè)備——其組件如何移動(dòng)都必須按照控制方式執(zhí)行。移動(dòng)負(fù)載最常見(jiàn)的方法就是使用一些電機(jī)元件如電動(dòng)機(jī)。我們來(lái)學(xué)習(xí)如何控制基于電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，并探究NI公司所提供的各種不同的機(jī)器控制解決方案。
 

在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域中，最常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)就是步進(jìn)式、有刷式以及無(wú)刷式直流電動(dòng)機(jī)，但是其實(shí)還有一些其它類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)。每種電動(dòng)機(jī)都需要有獨(dú)立的輸入信號(hào)來(lái)激勵(lì)電動(dòng)機(jī)，然后將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。在最廣義的意義上，運(yùn)動(dòng)控制可以幫助你使用電動(dòng)機(jī)(最大程度上滿足你的應(yīng)用需求)，而無(wú)需考慮所有激勵(lì)電機(jī)所需的低層次的激勵(lì)信號(hào)。

另外，運(yùn)動(dòng)控制還具備一些高級(jí)功能，因此可以基于模塊搭建高效地實(shí)現(xiàn)指定的應(yīng)用，為一些常規(guī)任務(wù)提供解決方案，如精準(zhǔn)定位、多軸同步，以及指定速度、加速度和減速度的運(yùn)動(dòng)等等。

因?yàn)榇蠖嚯妱?dòng)機(jī)的工作環(huán)境都是瞬時(shí)的，所以運(yùn)動(dòng)控制工具必須能夠適應(yīng)不同負(fù)載和動(dòng)態(tài)條件，而這則需要一些復(fù)雜的控制處理算法和機(jī)械系統(tǒng)的反饋信息。最后(但并不是最不重要的)，運(yùn)動(dòng)控制的任務(wù)一般都比較嚴(yán)格，而且通常其所操控的機(jī)器還可能會(huì)傷及到周?chē)娜?。因此，運(yùn)動(dòng)控制中必須具備一些安全特征，如限位開(kāi)關(guān)(limit switch)和I/O通道，用以收集狀態(tài)信息并執(zhí)行停止程序。

下圖描述了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成部分。

圖1. 運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。

你所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件便是你應(yīng)用程序中的特定部分。應(yīng)用軟件定義了運(yùn)動(dòng)配置文件，以及特定事件觸發(fā)并影響配置文件的方式。應(yīng)用軟件由好幾個(gè)可選的層次構(gòu)成。通常來(lái)說(shuō)都包含一個(gè)用戶界面程序，用以實(shí)現(xiàn)交互式操作。很多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用都包含應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)警報(bào)處理和數(shù)據(jù)庫(kù)連接性(連接到一個(gè)SCADA系統(tǒng))。它們還通常包含由運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)控制指令。運(yùn)動(dòng)控制器的制造商提供了應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

根據(jù)上述內(nèi)容，運(yùn)動(dòng)控制器創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)配置文件。根據(jù)這些配置文件，控制器將信號(hào)(通常是±10 V，或者步進(jìn)信號(hào)與方向信號(hào))通過(guò)放大器或者電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳到電動(dòng)機(jī)。放大器的任務(wù)就是從控制器接收信號(hào)，然后將它們變成可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)。

隨著電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，反饋設(shè)備——通常是位置傳感器——會(huì)將位置信息反向傳遞至控制器，構(gòu)成閉環(huán)控制環(huán)。運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)位置傳感器獲取電動(dòng)機(jī)的位置信息，從而推算出電動(dòng)機(jī)的移動(dòng)速度。有些應(yīng)用中需要有多個(gè)反饋設(shè)備，以保證該電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)能夠正確運(yùn)行。雖然反饋設(shè)備提供了位置信息，但有時(shí)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(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)。

運(yùn)動(dòng)控制器就像是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的大腦，它要計(jì)算每個(gè)預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡。該任務(wù)非常重要，因此它需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的資源以保證高度的確定性。運(yùn)動(dòng)控制器利用其所計(jì)算出來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)決定合適的扭矩命令，然后將其發(fā)送至電動(dòng)機(jī)放大器，才真正產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)?？刂破鬟€必須通過(guò)監(jiān)測(cè)限制條件和緊急制動(dòng)條件，來(lái)關(guān)閉控制環(huán)并處理監(jiān)控(supervisory control)，從而保證安全操作。這些操作都必須實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，以確保有效運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所必需的高度可靠性、確定性、穩(wěn)定性和安全性。

圖2.運(yùn)動(dòng)控制器架構(gòu)

下面描述運(yùn)動(dòng)控制器的各種不同任務(wù)。

監(jiān)控 – 提供了執(zhí)行特定操作所需的命令順序安排和協(xié)調(diào)。這些特殊操作包括：

系統(tǒng)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(dòng)，基于位置信息的觸發(fā)輸出，基于用戶定義事件的配置文件更新。
故障檢測(cè)，其中包括：遇到限位開(kāi)關(guān)停止運(yùn)動(dòng)，遇到緊急制動(dòng)或者驅(qū)動(dòng)故障、看門(mén)狗等時(shí)的安全系統(tǒng)反應(yīng)。
軌跡發(fā)生器 – 根據(jù)用戶定義的配置文件進(jìn)行路徑規(guī)劃。

控制環(huán) – 執(zhí)行快速的閉環(huán)控制，在單軸/多軸上同步維持位置、速度和軌跡。控制環(huán)根據(jù)反饋信息來(lái)處理位置/速度環(huán)的關(guān)閉，并決定系統(tǒng)的響應(yīng)和穩(wěn)定性。在步進(jìn)式系統(tǒng)中，由步進(jìn)發(fā)生組件構(gòu)成控制環(huán)。該控制環(huán)包含一個(gè)插值組件或者樣條引擎(spline engine)，在軌跡發(fā)生器所計(jì)算出的兩個(gè)設(shè)置點(diǎn)之間進(jìn)行插值。這樣，控制環(huán)的執(zhí)行速度就會(huì)快于軌跡發(fā)生器。圖2描述了NI運(yùn)動(dòng)控制器的功能架構(gòu)。