运动控制器的应用现状及其发展趋势

陈启雷　张礼兵　陈俊澍　胡乐意

摘 要：随着电子技术、计算机技术和自动化控制技术等技术的快速发展，运动控制器作为运动控制技术中的一个关键核心部件，在工业自动化领域中发挥着越来越重要的作用。文章根据运动控制器的在各行各业的应用现状，对运控控制器进行归类和总结，并结合运动控制系统的发展过程，对运动控制器的发展趋势进行了预测。

关键词：运动控制器；应用现状；发展趋势

引言

在机电一体化设备中，运动控制技术是其中一个关键的核心技术，运动控制技术将预定的控制指令转变成被控对象的预期的运动，实现被控对象运动过程中的位置和速度等运动参数的精确控制，其中，运动控制器是运动控制技术中的一个的关键部件。随着电子技术、计算机技术、通信技术和自动化控制技术等技术的迅速发展，运动控制器作为机电一体化设备中的一个关键核心部件，在工业自动化领域中发挥着越来越重要的作用[1]。

1 运动控制器的应用现状

运动控制器越来越广泛地应用于各个行业的自动化设备，如数控机床、雕刻机、切割机、钻孔机、印刷机、冲孔机、激光雕刻、激光切割、包装机、纺织机、食品加工、绘图机、点胶机、焊接机、电子装配自动检测等，甚至在航空航天和国防领域也得到广泛应用。根据所用的CPU不同，运动控制器产品主要有以下五种类型：

（1）以单片机（MCU）为核心的运动控制器，低端采用8位或16位的单片机作为处理器，其主要优点是价格比较低廉，缺点是运行速度较慢，控制精度较低。因此这种运动控制器适用于一些低速或运动控制精度要求不高的点位运动或轮廓运动控制的自动化设备。

（2）以专用芯片为核心的运动控制器，美国国家半导体公司生产的LM628和LM629专用运动控制芯片，日本的NOVA生产的MCX304、MCX501等运动控制芯片是专门为精密控制步进电机和伺服电机而设计的专用处理器，产品应用于数控机床、雕刻机、工业机器人、医用设备、绕线机、自动仓库、绘图仪、点胶机、IC制造设备等领域。

（3）以数字信号处理器（DSP）为核心的运动控制器，美国DeltaTau公司生产的PMAC运动控制器，采用Motorola的DSP56003作为处理器。国内的基于DSP的运动控制器，通常以美国TI公司推出的C2000系列，例如TMS320F2812和TMS320F28335作为运动控制器的核心芯片。

（4）基于SOPC技术的运动控制器，System-on-a-Programmable-Chip（SOPC），即可编程片上系统，这种运动控制器主要有两种类型：基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统和基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统，如Altera公司推出的采用了哈佛结构、具有32位指令集成的第二代片上可编程的软核和硬核处理器。

（5）多CPU的运动控制器，这种类型的运动控制器采用两个及以上的CPU，例如采用ARM和FPGA的多CPU运动控制器、DSP和FPGA的多CPU运动控制器以及ARM+DSP+FPGA相结合的多CPU运动控制器[2-3]。

目前运动控制器主要分为三大类：基于PC的运动控制器、嵌入式运动控制器和全软件型运动控制器。

（1）基于PC运动控制器，采用“PC+运动控制卡”的模式，运动控制卡配有API函数库供用户调用，用户根据需求进行二次开发PC机界面系统，运动控制卡通过PCI总线、ISA总线、USB接口或网络接口等与工控机或PC机进行连接[4]。例如美国DeltaTau公司的PMAC运动控制器、深圳固高公司的GE/GT/GH系列运动控制器、研华科技开发的PCL/PCM/PCI系列的控制器等。

（2）嵌入式运动控制器，采用嵌入式处理器（ARM/DSP等），该控制器是一种可以脱离PC机单独运行的独立型运动控制器[5]，例如ARM+DSP嵌入式运动控制器、固高科技公司开发的GUC系列嵌入式运动控制器。

（3）全软件型运动控制器，运动控制器的运动控制功能全部采用软件算法实现，硬件电路实现工控机与伺服驱动和外部接口之间的连接。全软件型运动控制器如美国MDSI公司的OpenCNC、SoftServo公司研制的ServoWorks、德国PowerAutomation公司的PA8000NT、固高科技的GO系列运动控制器。

2 运动控制器的发展趋势

随着电子技术、计算机技术和自动化控制技术等技术的快速发展，运动控制器的发展与之相适应，其发展趋势向多轴化、网络化、开放式、智能化、可重构性等方向发展[6]。

（1）多轴化运动控制器，内部存在PLC模块与MC模块，可以实现可控制的更高精度的工作，同时多轴化可以使其控制的内容更加多。如今因其具有高效稳定的运动控制系统，如今已广泛的应用于包装、印刷、切割、数控机床、自动化仓库等各种自动化控制领域中。

（2）网络化运动控制器，运动控制器的网络化体现在两个方面，一是运动控制器通过以太网技术与工控机或其它设备进行网絡连接，实现网络互连，另外，运动控制器通过网络通讯技术与驱动器或现场设备之间进行交互数据和通讯，网络通讯技术如以太网、现场总线协议等。

（3）开放式结构运动控制器，开放式运动控制器是新一代工业控制器，开放式结构的运动控制器可以应用于更加广泛的应用领域，根据行业特点进行上位机的开发，实现上位机与控制器之间的互连，同时，可以把不同厂家的部件集成在同一个平台上实现无缝集成，从而降低开发成本。

（4）智能化运动控制器，这种类型的控制器具备自适应控制功能，例如根据载荷变化自适应调整控制参数、自动选择控制模型、自整定、设备故障自动检测、自动诊断、自动修复等智能化功能。

（5）可重构型运动控制器，这种类型的运动控制器可根据用户对控制器功能的实际需求分别从硬件和软件方面进行快速重构，运动控制器的硬件可重构，根据用户的实际需求对控制器的硬件结构进行动态调整；运动控制器的软件可重构，根据用户对控制器的功能模块的实际需求采用模块化方式进行增加、裁剪、修改和重构。

参考文献

[1]蒋仕龙，吴宏，吕恕，等.通用运动控制技术现状、发展及其应用[J].电工文摘，2009（1）：15-19.

[2]黄建.基于DSP和FPGA的多轴伺服运动控制器设计[J].微电机，2014，47（8）：61-64，78.

[3]陈孟元.基于FPGA的移动机器人运动控制器的实现[J].井冈山大学学报（自然科学版），2014，35（5）：56-62.

[4]贾佳，曹树坤.基于DSP的多轴运动控制器研究[J].现代制造技术与装备，2012（4）：8-9，14.

[5]贾小波，于东，胡毅，等.基于DSP的嵌入式运动控制器设计与优化[J].组合机床与自动化加工技术，2013（3）：42-46.

[6]尹志生，崔洋，徐立松，等.基于OMAP的可重构嵌入式运动控制系统设计[J].电子测量技术，2013，36（8）：1-5.