王晔（1976-），宁夏银川人，工程师，本科，现就职于北京和利时机器控制技术有限公司，研究方向为工厂自动化、智能装备、自动化产线、运动控制。

    随着社会发展的需要，各制造企业对机器装备自动化、智能化水平的要求不断提高，做为核心技术的运动控制系统，其作用更为突出。运动控制器在运动控制系统中，又占有举足轻重的地位。本文从基础概念层面跟大家交流三个问题：运动控制的基本概念，运动控制器类型及适用场合，运动控制器发展的未来趋势。

    1　运动控制的基本概念

    客户看到的市场情况就是很多厂商都说自己做运动控制，做运动控制器的厂商说自己在做运动控制，伺服厂商也说自己做运控控制，做电机、编码器、丝杆的厂商也宣传自己专业是做运动控制。实际上大家都没错，但这样给市场的印象是比较零散的，而客户期望的是有人能够较为系统地将运动控制全貌描述给自己。

    运动控制起源于早期的伺服控制，运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。

    运动控制是通过运动控制系统来实现的。运动控制系统是由多个环节组成的一套精密耦合的系统，缺少了任意一个环节，都不可能完成特定的动作控制，而且每个环节中所涉及的专业知识又相对比较独立。

    运动控制系统主要包含了执行机构及控制机构。执行机构主要指执行动作的电机、液压泵、气缸等部件动作，带动各类机械机构用以输出各类动作。控制机构主要指伺服驱动器及运动控制器（或带运动控制功能的PLC等）、伺服驱动器、伺服电机、以及用以形成闭环调节时所需的反馈部件，如编码器、光栅尺、视觉系统等。

    浅谈运动控制系统核心——运动控制器本文主要探讨的是运动控制系统中的控制机构。

    在此简单描述一下运动控制系统的全貌，如果将一整套运动控制系统比作一个人的话，那么运动控制器就相当于一个人的大脑，伺服驱动器就相当于人体的肌肉组织，伺服电机就是我们的手和脚，视觉系统、编码器就相当于我们的眼睛和耳朵，用于连接各个部分的信号线或高速网络就是我们人体的神经系统。各个部分配合起来，协同完成对运动的控制。

    各个部分简介如下：

    运动控制器，主要用于生成动作所需的轨迹以及多轴系统的协调运动，如插补联动等。此外，高级一些的运动控制器，还可以将检测执行机构动作的编码器信号直接接入，兼具有对伺服的位置闭环甚至速度闭环调节的能力。运动控制器输出的信号基本都是小信号，如高频的脉冲、±10V的模拟量等。

    伺服驱动器，主要是根据运动控制器发出的各种指令（位置、速度、力矩），进行强电转换，驱动对应的电机产生相对应的动作。其最核心的部分是其电流环（力矩环）的控制。经过工厂自动化历史发展的演变，伺服驱动器的功能是越来越丰富，目前市场上流行的各种伺服驱动器实际上已经基本具备了位置环、速度环、电流环的全套控制，而且有一些驱动器甚至集成了部分PLC的功能及运动控制轨迹规划功能，在一些应用场合受到客户的极大欢迎。但我个人理解，伺服驱动器未来发展也许最终会退回到功率转换的基本功能，也就是只完成电流环的控制。

    电机，是整个运动控制电控系统的最终执行机构。它分为很多种伺服电机，是一门专业性很强的学科，非常重要，这里不做过多叙述。

    编码器，是用来检测各类机构位置的反馈装置。编码器装在伺服电机的轴上面，用来检测电机的位置，同时将信号实时传输给伺服驱动器，从而构成我们俗称的半闭环系统。此外，有很多运动控制器也可以接收编码器信号，将装在最终执行机构上的编码器信号反馈到运动控制器中，从而构成全闭环控制。编码器还可以根据反馈信号的类型分为增量式编码器和绝对值型编码器。

    连接方式，用以连接各个环节的方式也有很多学问，以前控制器与驱动器之间的连接基本是一对一连接，用以传输位置或速度信息，但这种连接方式在系统控制的轴数较少的情况下，问题不大。当系统控制的轴数超过8轴时，这种连接方式的布线及电气信号质量稳定性就会产生很多问题，由此，产生了各类总线系统。但目前总线协议并没有统一，各大伺服厂商纷纷推广自己的协议，有的开放，有的封闭。

    由此可见，运动控制系统的专用性较强，涉及的各个环节的内容也较多，加上各类厂家从不同角度推销自己产品时的各类专业术语，给广大用户尤其是初次接触运动控制系统的工程师，想快速选型并掌握其中的要点，并在实际应用中完成机器装置的动作控制，造成了一定的困惑。其中，最困惑的可能要属于运动控制器的选型及应用方面的问题。在此，针对运动控制器类型及适用场合谈谈个人的理解和看法，有不当之处，也请各位同仁多多包涵，并批评指正。

    运动控制器大体可以分为两种类型：一种是独立式的运动控制器，其中包括带运动控制模块或功能的PLC和专用运动控制器；另一种是以工控机或PC机为载体，插接运动控制卡的一种形式。这两种类型的运动控制器在实际应用中各有千秋，不同应用场合也有着各自不同的应用要求，下面分别进行介绍。

    独立式运动控制器主要应用在对人机交互界面要求不高的场合下，加工的产品类别有限，配套触摸屏就可以完成特定工作参数的设定和操作的场合，例如包装机、印刷机、绕线机等。这里肯定有人会问，这些设备很多是可以用普通PLC控制的，为什么还要采用独立式运动控制器？

    那么什么时候适合采用普通PLC，什么时候适合采用独立式运动控制器？采用独立式运动控制器的这些设备有一个共同点就是需要控制的伺服电机的数量超过两台，并且电机之间需要有一定的配合动作关系，比如说联动同步等要求，如果没有这样的要求，普通PLC就一样可以适用。

    另外，需要再进一步说明的是专用运动控制器和带运动控制功能PLC之间的几点主要区别：

    第一是编程的标准化区别。专用运动控制器一般有自己较为独立的编程环境，一般采用高级语言方式，如C、Basic等语言。带运动控制功能的PLC一般沿用IEC61131-3的标准，采用功能块或ST语言。

    第二是对运动控制编程的视角不同。专用运动控制器采用的是以“轴”为视角和对象的编程思路，而PLC则为了与传统的组态环境相一致，以及为了让原有用户较为顺畅的理解，一般采用的是以各类“运动过程的功能块”为载体，并不突出轴的特点，并且目前较大的几家厂家联合起来，推出了一个标准PLCOpen，里面大量描述的功能块实际就是运动控制相关的实现问题。从这两种编程思路来看：第一种采用“轴”为对象的编程，控制可以非常灵活，轴的动作可以根据实际情况时刻做出调整，基本上没有实现不了的场景；第二种以“运动过程功能块”为载体的编程，相对于第一种的编程，思路上较为传统，比较符合传统PLC用户的编程习惯，但最大的缺陷就是灵活性不足，对某些复杂场景，没有合适的功能块能够使用。

    工控机加板卡的运动控制系统目前主要应用于电子加工设备、激光切割设备等，这类设备有两点重要的特征决定了目前的使用情况：第一是普遍需要采用视觉系统，视觉系统需要大量的计算，PC机有较多的资源可以使用。第二是图形化排料制板的需要，这类设备需要经常性的调整加工文件，根据不同的加工图形文件来控制机器进行加工处理，也就是说机器与操作人员之间要有较强的互动过程，用PC或工控机配合Windows系统可以较为方便的实现这些功能，这些原因决定了目前此类应用绝大多数采用了工控机加板卡的运动控制系统。但这种应用也有隐忧，最主要的问题是系统稳定性不足。造成这个问题的主要原因是因为PC及工控机采用的是高功耗的CPU，在正常使用过程中，散热始终会是一个较大的问题。如果机器设备本身的工作环境不好，同时又要求机器设备不停机运转的时间较长，那么这个隐忧就会比较突出。相对于采用嵌入式低功耗CPU设计的独立式运动控制器来讲，在这点上工控机毫无优势。但工控机也有其它优势：例如自身采用Windows平台，系统资源丰富，有庞大的算法验证手段和开放性，这一点在机器人应用中尤为突出。

    3　运动控制器发展的未来趋势

    最后，我们来谈谈运动控制器发展的未来趋势。运动控制器从本质上讲是一套系统开发平台，应用工程师在这个平台上结合终端设备的工作工艺，编写对应的控制程序，从而实现各类复杂的动作控制。经过不断的发展，未来的趋势个人判断主要有以下几点：第一是开放性、灵活性、易用性并重；第二是网络化程度日益加强；第三是可靠性要求不断提高。开放性、灵活性、易用性是客户接触一套控制器的最基本评价。

    开放性实际指的是系统要遵循较为通用的标准，比如IEC61131-3的标准组态语言环境，对外接口采用通用的标准协议等。灵活性指的是系统要能适应各种复杂工艺要求的能力，也就是只有用户想不到的功能，而没有系统实现不了的功能。易用性主要指的是人机交互的友好性及简便性，最极致的易用性当然是指没有接受过任何专业训练的人也可以快速掌握系统的开发。

    开放性、灵活性、易用性这三个特性在实际使用过程中，往往会互相牵扯，甚至是有些矛盾的地方。例如：为了提高系统的灵活性，就要尽可能的将底层开放给用户。但是底层开放的越多，涉及到的专业知识及内核运行机理就必然要尽可能的让用户了解掌握，这样做的结果必然是导致易用性下降；由于易用性追求的是使用越简单越好，这样就要求系统尽可能多的进行封装，这样自然又会限制了系统使用的灵活性。为了解决这些矛盾，一个好的运动控制系统必须分出不同的层次：提供最初级的接口，这些接口一定是越简单易用越好。同时根据客户掌握了解的程度不同，分层提供不同定义的各类应用接口以满足灵活性的要求。做到这些，开放性、灵活性、易用性可以实现有机的统一。

    未来控制系统发展的最核心需求就是如何实现开放性、灵活性、易用性的统一。这其中最核心的问题是对动作控制的理解程度。传统PLC厂家以动作过程为主要目标，封装各类标准化的功能块，但缺少灵活性。专业运动控制器虽然有较好的灵活性，但其编程组态方式都是自成一派，没有遵循统一标准。更好的控制器应该将二者进行有机的融合。此外，开放性除了遵循一定的标准之外，还需要有更为丰富的接口。传统的控制器基本只是完成对伺服系统的控制，但随着智能化发展的需求，越来越要求控制器能够融合更多的系统功能，例如：对视觉系统的接入要求日益强烈。

和利时的MC系列运动控制器正是按照这样的思路研发的产品：编程既符合IEC标准，同时又具有专业运动控制器厂家的灵活性，同时率先在业内采用双核处理器，为接入类似视觉系统留有了足够的可开发空间。

    网络化主要指的是控制器与伺服驱动器之间的连接形式。传统机械设备采用的伺服数量有限，往往采用一对一直连的方式连接运动控制器和伺服。直连方式最大的问题在于布线复杂，线缆使用量较大，同时传输信号极易受到各种干扰。为解决这些问题，各个伺服驱动厂家纷纷推出自己的高速总线用以连接伺服驱动器及运动控制器，网络化趋势势不可挡。采用高速总线后，运动控制器和伺服驱动器之间除了常规的控制命令及反馈信息传递外，还可以根据需要实时调节伺服驱动器的各类参数，从而实现更为复杂灵活的控制要求。但目前各家高速总线的标准尚不统一，各个伺服厂家都各自推出自己专用的总线协议，比较流行的有EtherCAT、Power Link 、安川Mechatrolink、松下RTEX、三菱CC-Link等等，这些总线协议各有特点。总的来说，核心都是为了解决高速伺服控制过程中的高速数据传输，未来的发展一定是逐步走向融合统一的过程。目前总线协议厂家还在进行较为充分的竞争，那么最终谁会胜出？个人认为开放性好的、市场占有率高的厂家协议标准应该有较大的机会；那些封闭的，自成体系的，不接纳外围厂家的各类协议，后续可能会被市场淘汰。

    可靠性对于运动控制器来说，同样是一项基本核心要求。机器设备长期、稳定的可靠运行是所有用户的最基本条件。仅从稳定性这点上看，目前大量采用板卡及工控机的控制形式，未来应会逐步被各类满足功能要求的、同时具有低功耗、高稳定性的专用控制器所替代。和利时专业做自动化控制将近25年，涉及行业从高铁、电力、石化到机器控制，对控制系统稳定性的理解和认识是深入骨髓的。和利时设计实现的MC系列运动控制器，依然秉承并坚持了这一理念和原则。

    以上是对运动控制系统，尤其是运动控制器的总体概貌的分析和说明，其中必然有许多考虑不周的地方，做此总结是为了起到抛砖引玉的作用，希望更多的运动控制专家能够针对运动控制领域不同的要点展开积极的讨论，从而促使这个细分行业能够快速发展，为我国装备制造领域发展做出更大的贡献。

    摘自《自动化博览》2015年11月增刊