运动控制系统简介

关键字 :Motion Control 运动控制伺服驱动 NXP

运动控制系统一般由控制器、功率放大器与变换装置（通常是驱动器）、电动机、负载，及相关的传感器等组成。控制器下达指令，通过驱动器转化为能够运行电机的电流，驱动电机旋转，带动工作机械运行。同时，电机上的传感器经过信号处理将电机的实时信息反馈给控制器，控制器实时调整，从而保证整个系统的稳定运转。

运动控制系统框架
运动控制系统框架

运动控制系统上游包括各类电子元器件，如 PCB 面板、IC 芯片、晶体管、电阻电容等，中游核心部件包含如运动控制器、伺服驱动器、伺服电机等，下游应用于工业机器人、半导体、机床等各行各业。一个运动控制系统的主要零部件包括：运动控制器、伺服驱动器、执行器、反馈传感器。

运动控制器：

运动控制器由硬件和软件两部分集成，硬件即工业控制板卡，包括主控单元、信号处理等部分，软件是控制算法。细分到具体产品中，目前主要有三种类型的控制器：PC-Based 运动控制器、专用控制器、PLC 控制器。三类运动控制器下游应用有一定差别，其中 PC-Based 运动控制器在半导体、机器人、包装机械、EMS（电子制造服务）等行业被广泛应用；专用控制器的代表行业是机床、机器人、包装机械等等；PLC 控制器则在纺织机械、包装机械、EMS 等行业备受青睐。

三类运动控制器主要对比

分类	特点	下游应用
PC-Based	系统通用性强，可拓展性强，能够满足复杂运动的算法要求，抗干扰能力和开放性强	半导体、工业机器人、包装、电子、EMS
专用控制器	集成度较高，一般满足某个特定行业使用，价格较高	工业机器人、机床、包装机械
PLC 控制器	系统简单，可靠性高、体积小、环境适应性强，但不支持先迚的、复杂的算法，不能满足多轴联动等复杂的运动轨迹	纺织机械、包装机械、EMS

三类运动控制器市场占比
三类运动控制器市场占比

伺服驱动器：

伺服驱动器接收运动控制器发送的信号，然后转换为功率信号，即能够控制电机的电流，驱动电机工作。伺服驱动器被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中，尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。

伺服驱动的要求：

调速范围宽；
定位精度高；
有足够的传动刚性和高的速度稳定性；
快速响应，无超调；
低速大转矩，过载能力强；
可靠性高；

执行器：

用以输出运动，众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式，它包括电机，齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承等等。

反馈传感器：

用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合，如磁编码器、光电编码器、旋转变压器或霍尔效应设备等等。

运动控制技术的研究对象是自动化设备中各种运动机构的位置控制、速度控制、轨迹控制。运动控制系统为以自动控制方式可分为开环控制系统和闭环控制系统两种。

开环控制系统：

开环控制系统是指一个输出只受系统输入控制的没有反馈回路的系统。在开环控制系统中，不把关于被控量的值的信息用来在控制过程中构成控制作用。

开环控制系统是最简单的运动控制系统，执行元件一般为步进电机，其控制精度较低，速度也受到步进电动机性能的限制。但由于其结构简单，易于调整，因此在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。公共汽车上的车门控制就是一个典型的开环控制系统，其工作流程如下：

闭环控制系统：

闭环系统亦称“反馈系统”，把控制系统输出量的一部分或全部，通过一定方法和装置反送回系统的输入端，然后将反馈信息与原输入信息进行比较，再将比较的结果施加于系统进行控制，避免系统偏离预定目标。

因为开环系统控制精度不高，抑制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感，因此在一些精度要求较高的场合我们需要使用闭环控制系统。如在数控机床中，闭环控制系统是采用直线型位置检测装置对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制，将数控机床本身包括在位置控制环之内，因此机械系统引起的误差可由反馈控制得以消除，但数控机床本身固有频率、阻尼、间隙等的影响，成为系统不稳定的因素，从而增加了系统设计和调试的困难。