運(yùn)動(dòng)控制起源于早期的伺服控制 (ServomechaNIsm)。簡單地說，運(yùn)動(dòng)控制就是對機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。早期的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控(CNC)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)(Robotics)和工廠自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。早期的運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)際上是可以獨(dú)立運(yùn)行的專用的控制器，往往無需另外的處理器和操作系統(tǒng)支持，可以獨(dú)立完成運(yùn)動(dòng)控制功能、工藝技術(shù)要求的其他功能和人機(jī)交互功能。這類控制器可以成為獨(dú)立運(yùn)行(Stand-alone)的運(yùn)動(dòng)控制器。這類控制器主要針對專門的數(shù)控機(jī)械和其他自動(dòng)化設(shè)備而設(shè)計(jì)，往往已根據(jù)應(yīng)用行業(yè)的工藝要求設(shè)計(jì)了相關(guān)的功能，用戶只需要按照其協(xié)議要求編寫應(yīng)用加工代碼文件，利用RS232或者DNC方式傳輸?shù)娇刂破?，控制器即可完成相關(guān)的動(dòng)作。這類控制器往往不能離開其特定的工藝要求而跨行業(yè)應(yīng)用，控制器的開放性僅僅依賴于控制器的加工代碼協(xié)議，用戶不能根據(jù)應(yīng)用要求而重組自己的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通用運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展成為市場的必然需求。

　　由國家組織的開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究始于1987年，美國空軍在美國政府資助下發(fā)表了著名的“NGC(下一代控制器)研究計(jì)劃”，該計(jì)劃首先提出了開放體系結(jié)構(gòu)控制器的概念，這個(gè)計(jì)劃的重要內(nèi)容之一便是提出了“開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(OSACA)”。自1996年開始，美國幾個(gè)大的科研機(jī)構(gòu)對NGC計(jì)劃分別發(fā)表了相應(yīng)的研究內(nèi)容，如在美國海軍支持下，美國國際標(biāo)準(zhǔn)研究院提出了EMC(增強(qiáng)型機(jī)床控制器);由美國通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司提出和研制了OMAC(開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器)，其目的是用更開放、更加模塊化的控制結(jié)構(gòu)使制造系統(tǒng)更加具有柔性、更加敏捷。該計(jì)劃啟動(dòng)后不久便公布了一個(gè)名為OMAC APT的規(guī)范，并促成了一系列相關(guān)研究項(xiàng)目的運(yùn)行。

　　通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要分支，在20世紀(jì)90年代，國際上發(fā)達(dá)國家，例如美國進(jìn)入快速發(fā)展的階段。由于有強(qiáng)勁市場需求的推動(dòng)，通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。近年來，隨著通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，通用運(yùn)動(dòng)控制器作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動(dòng)化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并且它已經(jīng)達(dá)到一個(gè)引人矚目的市場規(guī)模。根據(jù)ARC近期的一份研究，世界通用運(yùn)動(dòng)控制(General Motion Control GMC)市場已超過40億美元，并且有望在未來5年內(nèi)綜合增長率達(dá)到6.3%。

　　目前，通用運(yùn)動(dòng)控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為如下3類：

　?、?基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器，它是把具有開放體系結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合構(gòu)成。這種運(yùn)動(dòng)控制器大都采用DSP或微機(jī)芯片作為CPU，可完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)插補(bǔ)、伺服濾波控制和伺服驅(qū)動(dòng)、外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口功能，它開放的函數(shù)庫可供用戶根據(jù)不同的需求，在DOS或WINDOWS等平臺下自行開發(fā)應(yīng)用軟件，組成各種控制系統(tǒng)。如美國Deltatau公司的PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器和固高科技(深圳)有限公司的GT系列運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品等。目前這種運(yùn)動(dòng)控制器是市場上的主流產(chǎn)品。

　?、?Soft型開放式運(yùn)動(dòng)控制器，它提供給用戶最大的靈活性，它的運(yùn)動(dòng)控制軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。就像計(jì)算機(jī)中可以安裝各種品牌的聲卡、CDROM和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序一樣。用戶可以在WINDOWS平臺和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開放的運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核，開發(fā)所需的控制功能，構(gòu)成各種類型的高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性。基于Soft型開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)的典型產(chǎn)品有美國MDSI公司的Open CNC、德國PA(Power Automation)公司的PA8000NT。美國Soft SERVO公司的基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)控制器和固高科技(深圳)有限公司的GO系列運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品等。Soft型開放式運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是開發(fā)、制造成本相對較低，能夠給予系統(tǒng)集成商和開發(fā)商更加個(gè)性化的開發(fā)平臺。

　　⑶ 嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器，這種運(yùn)動(dòng)控制器是把計(jì)算機(jī)嵌入到運(yùn)動(dòng)控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨(dú)立運(yùn)行。運(yùn)動(dòng)控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信依然是靠計(jì)算機(jī)總線，實(shí)質(zhì)上是基于總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器的一種變種。對于標(biāo)準(zhǔn)總線的計(jì)算機(jī)模塊，這種產(chǎn)品采用了更加可靠的總線連

　　接方式(采用針式連接器)，更加適合工業(yè)應(yīng)用。在使用中，采用如工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、SERCOS、PROFIBUS等現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信接口聯(lián)接上級計(jì)算機(jī)或控制面板。嵌入式的運(yùn)動(dòng)控制器也可配置軟盤和硬盤驅(qū)動(dòng)器，甚至可以通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。例如美國ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GU嵌入式運(yùn)動(dòng)控制平臺系列產(chǎn)品等。

　　我國在運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品開發(fā)方面相對落后，1999年固高科技(深圳)有限公司在深圳成立，她是國內(nèi)第一家專業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的公司。其后，國內(nèi)又有其他幾家公司進(jìn)入該領(lǐng)域，但實(shí)際上，大多是在國內(nèi)推廣國外生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品，真正進(jìn)行自主開發(fā)的公司較少。“八五”期間，我國廣大科研工作者也成功開發(fā)了兩種數(shù)控平臺和華中Ⅰ型、藍(lán)天Ⅰ型、航天Ⅰ型、中華Ⅰ型等4種基本系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用模塊化，嵌入式的軟、硬件結(jié)構(gòu)。其中以華中Ⅰ型較具代表性，它采用工業(yè)PC機(jī)上插接口卡的結(jié)構(gòu)，運(yùn)行在DOS平臺上，具有較好的模塊化、層次化特征，具有一定擴(kuò)展和伸縮性。但從整體來說這些系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)，不是獨(dú)立的開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。目前，我國是世

　　界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國家，市場上新設(shè)備的控制需求、傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級、換代對運(yùn)動(dòng)控制器的市場需求越來越大。另外由于市場日益競爭的壓力，系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向開放式方向發(fā)展。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控市場占有率正在逐漸減小。在這樣的形勢下，我國可以抓住這一機(jī)遇，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)，具有高水平、高質(zhì)量、高可靠性的開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。

　　通用運(yùn)動(dòng)控制器在國內(nèi)的應(yīng)用及發(fā)展

　　自20世紀(jì)80年代初期，通用運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)開始在國外多個(gè)行業(yè)應(yīng)用，尤其是在微電子行業(yè)的應(yīng)用更加廣泛。而當(dāng)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器在我國的應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)面很小，國內(nèi)也沒有廠商開發(fā)出通用的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。

　　目前，國內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)廠商提供的產(chǎn)品大致可以分為3類：

　?、?以單片機(jī)或微處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器，這類運(yùn)動(dòng)控制器速度較慢，精度不高，成本相對較低。在一些只需要低速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制和對軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場合應(yīng)用。

　?、?以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，這類運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)比較簡單，但這類運(yùn)動(dòng)控制器大多數(shù)只能輸出脈沖信號，工作于開環(huán)控制方式。這類控制器對單軸的點(diǎn)位控制場合是基本滿足要求的，但對于要求多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速軌跡插補(bǔ)控制的設(shè)備，這類運(yùn)動(dòng)控制器不能滿足要求。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補(bǔ)功能，也沒有前瞻功能(Look ahead)，特別是對于大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場合，如模具雕刻，不能使用這類控制器。另外，由于硬件資源的限制，這類控制器的圓弧插補(bǔ)算法通常都采用逐點(diǎn)比較法，這樣一來圓弧插補(bǔ)的精度也不高。

　?、?基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運(yùn)動(dòng)控制器。這類開放式運(yùn)動(dòng)控制器以DSP芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理器，以PC機(jī)作為信息處理平臺，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的模式。這樣將PC機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。這類運(yùn)動(dòng)控制器充分利用了DSP的高速數(shù)據(jù)處理功能和FPGA的超強(qiáng)邏輯處理能力，便于設(shè)計(jì)出功能完善、性能優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)控制器。這類運(yùn)動(dòng)控制器通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制與復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)的插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。由于采用FPGA技術(shù)來進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，方便運(yùn)動(dòng)控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶的特殊工藝要求和技術(shù)要求進(jìn)行個(gè)性化的定制，形成獨(dú)特的產(chǎn)品。

　　以上第一類運(yùn)動(dòng)控制器由于其性能的限制，在市場上所占份額較少，主要應(yīng)用于一些單軸簡單運(yùn)動(dòng)的場合，往往還面臨同PLC廠商提供的定位控制模塊的激烈競爭。第二類運(yùn)動(dòng)控制器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，占有一定的市場份額，但由于其專用芯片(ASIC)能提供運(yùn)動(dòng)控制的基本功能，用戶可以利用該芯片設(shè)計(jì)專用的控制器而分薄了這類運(yùn)動(dòng)控制器的市場份額。第三類運(yùn)動(dòng)控制器是目前國內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的主流，目前國外開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品已經(jīng)開始大量進(jìn)入中國;固高科技(深圳)有限公司相繼開發(fā)出GO、GT、GH和GU系列基于DSP的開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品，有近150個(gè)品種可供用戶選擇;應(yīng)用也從傳統(tǒng)的機(jī)床數(shù)控?cái)U(kuò)展到了如激光加工、服裝、紡織、印染、電子加工等多個(gè)領(lǐng)域，市場規(guī)模也有較大的增長。

　　根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將運(yùn)動(dòng)控制分成以下幾種形式：

　?、?點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制：這種運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是僅對終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動(dòng)的中間過程即運(yùn)動(dòng)軌跡無關(guān)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要求具有快速的定位速度，在運(yùn)動(dòng)的加速段和減速段，采用不同的加減速控制策略。在加速運(yùn)

　　動(dòng)時(shí)，為了使系統(tǒng)能夠快速加速到設(shè)定速度，往往提高系統(tǒng)增益和加大加速度，在減速的末段采用S曲線減速的控制策略。為了防止系統(tǒng)到位后震動(dòng)，規(guī)劃到位后，又會(huì)適當(dāng)減小系統(tǒng)的增益。所以，點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器往往具有在線可變控制參數(shù)和可變加減速曲線的能力。

　　⑵ 連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制：又稱為輪廓控制，主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)輪廓控制。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要解決的問題是如何使系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，既要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運(yùn)動(dòng)時(shí)的切向速度的恒定。對小線段加工時(shí)，有多段程序預(yù)處理功能。

　?、?同步運(yùn)動(dòng)控制：是指多個(gè)軸之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，可以是多個(gè)軸在運(yùn)動(dòng)全程中進(jìn)行同步，也可以是在運(yùn)動(dòng)過程中的局部有速度同步，主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統(tǒng)控制中。工業(yè)上有印染、印刷、造紙、軋鋼、同步剪切等行業(yè)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來保證在輸入端加一個(gè)與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾，保證系統(tǒng)的同步控制。

　　固高科技公司從開發(fā)應(yīng)用的角度把其產(chǎn)品相應(yīng)地分成3類，他們是點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器、連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制器和同步運(yùn)

　　動(dòng)控制器。從目前國內(nèi)市場的應(yīng)用情況反饋來看，按照不同的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和市場推廣，具有一定的優(yōu)勢。

　　固高科技公司的通用運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品采用以DSP為核心，結(jié)合FPGA現(xiàn)場邏輯可編程器件的靈活性完成運(yùn)動(dòng)控制的硬件架構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制過程中，由DSP實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，多軸插補(bǔ)、伺服控制濾波等數(shù)據(jù)運(yùn)算和實(shí)時(shí)控制管理。FPGA邏輯可編程器件和其他相關(guān)器件組成伺服控制和位置反饋硬件接口。為了滿足市場需求，使運(yùn)動(dòng)控制器具有真正面向?qū)ο蟮拈_放式控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)重構(gòu)能力，固高科技公司的GT系列產(chǎn)品考慮了用戶可以將自己設(shè)計(jì)的控制算法加載到運(yùn)動(dòng)控制器的內(nèi)存中，而無需改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以重新構(gòu)造一個(gè)特殊用途的運(yùn)動(dòng)控制器。