基于LabVIEW NI SoftMotion的运动控制系统结构及原理应用

几乎所有的自动设施——从工业机器到医疗设备——其组件如何移动都必须按照控制方式执行。移动负载最常见的方法就是使用一些电机元件如电动机。我们来学习如何控制基于电动机的系统，并探究NI公司所提供的各种不同的机器控制解决方案。
 

在工业和医疗领域中，最常见的电动机就是步进式、有刷式以及无刷式直流电动机，但是其实还有一些其它类型的电动机。每种电动机都需要有独立的输入信号来激励电动机，然后将电能转换成机械能。在最广义的意义上，运动控制可以帮助你使用电动机(最大程度上满足你的应用需求)，而无需考虑所有激励电机所需的低层次的激励信号。

另外，运动控制还具备一些高级功能，因此可以基于模块搭建高效地实现指定的应用，为一些常规任务提供解决方案，如精准定位、多轴同步，以及指定速度、加速度和减速度的运动等等。

因为大多电动机的工作环境都是瞬时的，所以运动控制工具必须能够适应不同负载和动态条件，而这则需要一些复杂的控制处理算法和机械系统的反馈信息。最后(但并不是最不重要的)，运动控制的任务一般都比较严格，而且通常其所操控的机器还可能会伤及到周围的人。因此，运动控制中必须具备一些安全特征，如限位开关(limit switch)和I/O通道，用以收集状态信息并执行停止程序。

下图描述了运动控制系统的基本组成部分。

图1. 运动控制器是运动控制系统的核心。

你所开发的应用软件便是你应用程序中的特定部分。应用软件定义了运动配置文件，以及特定事件触发并影响配置文件的方式。应用软件由好几个可选的层次构成。通常来说都包含一个用户界面程序，用以实现交互式操作。很多运动控制应用都包含应用层，实现警报处理和数据库连接性(连接到一个SCADA系统)。它们还通常包含由运动控制器执行的运动控制指令。运动控制器的制造商提供了应用软件的开发环境。

根据上述内容，运动控制器创建运动配置文件。根据这些配置文件，控制器将信号(通常是±10 V，或者步进信号与方向信号)通过放大器或者电动机驱动传到电动机。放大器的任务就是从控制器接收信号，然后将它们变成可以驱动电动机转动的信号。

随着电动机运转，反馈设备——通常是位置传感器——会将位置信息反向传递至控制器，构成闭环控制环。运动控制器通过位置传感器获取电动机的位置信息，从而推算出电动机的移动速度。有些应用中需要有多个反馈设备，以保证该电动机所驱动的机械系统能够正确运行。虽然反馈设备提供了位置信息，但有时还需要向控制器传递一些特殊的反馈信息，譬如压力传感器或者震动传感器的数据。

运动控制器就像是运动控制系统的大脑，它要计算每个预定运动轨迹。该任务非常重要，因此它需要一个专门的资源以保证高度的确定性。运动控制器利用其所计算出来的运动轨迹来决定合适的扭矩命令，然后将其发送至电动机放大器，才真正产生运动。控制器还必须通过监测限制条件和紧急制动条件，来关闭控制环并处理监控(supervisory control)，从而保证安全操作。这些操作都必须实时实现，以确保有效运动控制系统所必需的高度可靠性、确定性、稳定性和安全性。

图2.运动控制器架构

下面描述运动控制器的各种不同任务。

监控 – 提供了执行特定操作所需的命令顺序安排和协调。这些特殊操作包括：

系统初始化，其中包括返回到零位置。
事件处理，其中包括：电子传动，基于位置信息的触发输出，基于用户定义事件的配置文件更新。
故障检测，其中包括：遇到限位开关停止运动，遇到紧急制动或者驱动故障、看门狗等时的安全系统反应。
轨迹发生器 – 根据用户定义的配置文件进行路径规划。

控制环 – 执行快速的闭环控制，在单轴/多轴上同步维持位置、速度和轨迹。控制环根据反馈信息来处理位置/速度环的关闭，并决定系统的响应和稳定性。在步进式系统中，由步进发生组件构成控制环。该控制环包含一个插值组件或者样条引擎(spline engine)，在轨迹发生器所计算出的两个设置点之间进行插值。这样，控制环的执行速度就会快于轨迹发生器。图2描述了NI运动控制器的功能架构。