運動控制是控制馬達的一門技術和科學，它可以影響運動的軌跡。了解運動控制架構，可以在決策的過程中，幫助確定是否需要或者什么時候需要使用運動控制網(wǎng)絡。

無論是移動試管，還是切割金屬，運動控制器負責規(guī)劃運動軌跡，驅(qū)動和監(jiān)視馬達，定期將狀態(tài)更新提交給更高一級的控制器。在運動控制系統(tǒng)的設計中，主要使用了兩種控制結構：集中式和分布式。高速、低成本的數(shù)字控制網(wǎng)絡的引入，為建造分布式控制系統(tǒng)提供了新的選擇。隨著具有更高功率、更緊湊的開關放大器的出現(xiàn)，集中化設計使得在同一塊印刷電路板上可以布置的控制器數(shù)量正在逐步增加。

了解這些技術發(fā)展趨勢，有助于解釋如何以及在什么時候，應用這兩種不同的控制結構。

運動控制應用的類型

集中式還是分布式，哪種控制方式更合適：應用控制問題的特性對其具有決定性的影響。

在平面運動控制應用領域，馬達的控制或多或少的由集中式PC或控制器完成；也有一些分層應用領域，運動軸被分成2、3組或者更多的功能軸；也有一些單機應用的場合，機床控制器的運行在很大程度上沒有與網(wǎng)絡連接，不依賴網(wǎng)絡的監(jiān)視。

平面運動控制的例子：具有多個轉軸的印刷機，它的轉軸受伺服控制器的控制。在這里，時間是關鍵因素。主控制器，通常是PC或者是PLC，必須同步驅(qū)動所有的軸。典型的指令為：“移動軸#1到位置X，移動軸#2到位置Y”等等。

分級運動控制應用的例子：半導體晶圓處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一個主機器人（4軸）、晶圓定位器（3軸）和一個閥門控制器（1或2軸）。在這種結構下，網(wǎng)絡一般將就地機器人或者閥門控制器連接至中心網(wǎng)絡，但是實際的運動控制由就地機器人、晶圓定位器或者閥門完成?？偟臋C器控制器不會發(fā)出類似“將機器軸#2移動到位置12345”的指令，而是給出諸如“伸展機械臂”的指令，該指令由就地機器人控制器來解釋和執(zhí)行。

單機應用的例子：磁帶存檔系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許操作人員走近控制臺，要求檢索特定的磁帶。這些單機控制器，能夠執(zhí)行一攬子的機械臂運動，該運動基于就地人員發(fā)出的指令，如“檢索磁帶#1234”。在該應用中，如果連接了網(wǎng)絡，那只是用其實現(xiàn)報告和監(jiān)視功能，并不是用于控制本身。

增加分布式運動驅(qū)動器

了解哪些實際設備可以用于運動控制系統(tǒng)同樣十分重要。兩個可用的設備是：分布式驅(qū)動器和機器控制卡。盡管這些設備有很多不同的變體，但是歸納起來，它們都是上述兩種設備中的一種。

分布式運動控制器驅(qū)動器，有時也被稱為智能放大器，通過網(wǎng)絡與中心主機通訊，提供一套運動控制功能，比如產(chǎn)生輪廓、回路閉合或者是放大功能。

根據(jù)應用的不同，有兩種分布式驅(qū)動可供使用。第一種，可稱之為緊耦合驅(qū)動，應用諸如SERCOS、EtherCAT、或EthernetPOWERLINK等高速、確定性的網(wǎng)絡。第二種，可稱之為松耦合驅(qū)動，使用諸如以太網(wǎng)協(xié)議、CAN總線和RS485等低速網(wǎng)絡。

緊耦合驅(qū)動需要使用運動卡或者通過PC運行專用軟件，來同步和協(xié)調(diào)各個軸的運動。每個驅(qū)動器可接收位置和速度的更新信息，其更新速率可達每秒鐘數(shù)千次。松耦合驅(qū)動也是由主機控制，但是驅(qū)動器承擔更強大的仿形切削，同時也具有更大的延遲。將類似于“利用點到點S型曲線，將軸移動到位置X”的指令，發(fā)送給每個驅(qū)動器。這些驅(qū)動器內(nèi)的交互傾向于自動化，利用就地傳感器的輸入來啟動或停止運動。

運動網(wǎng)絡的選擇

能夠連接到這些設備上的網(wǎng)絡，可以是運動專用的網(wǎng)絡，比如SERCOS，也可以是運動與其它功能均可使用的網(wǎng)絡。這些通用網(wǎng)絡包括RS-485、CAN總線、EtherCAT、EthernetPOWERLINK、Profibus、Interbus-S和以太網(wǎng)。

這些網(wǎng)絡使用何種通訊協(xié)議？最常用的是CANopen（CAN總線和EtherCAT總線上的主機）協(xié)議。使用該協(xié)議，可以直接從市面上購買能與CANopen連接的傳感器和運動驅(qū)動器。

完全的即插即用標準，在目前階段并不現(xiàn)實。因為很多供應商在產(chǎn)品中加入了CANopen運動擴展部件，使這些產(chǎn)品與其它供應商的產(chǎn)品并不兼容。

盡管選擇可能有點模糊，但是對于大多數(shù)做機器設計的用戶來講，其實就是三個選擇：RS-485(有點老，但值得信賴),CAN總線/CANopen和以太網(wǎng)或任何一種確定性以太網(wǎng)（EtherCAT或EthernetPOWERLINK等）。

機器控制卡

機器控制卡，就是所謂的運動控制卡，是分布式驅(qū)動最主要的替代品。主要區(qū)別是：運動控制卡通過背板總線與分散的主板或處理器卡連接起來。但是在這里，我們將單機單卡控制器和背板運動控制卡稱為機器控制器卡。

在運動控制器方案中，微處理器中有應用代碼，運動控制器IC（運動處理器）用于產(chǎn)生輪廓、伺服回路閉合以及管理軸控制中的對時間要求比較嚴格的元素。機器應用的微處理器和運動處理器可以為同一個，尤其是對那些簡單的控制應用而言。機器控制器卡的優(yōu)勢之一是可維護性更好，這是因為維修整個控制器卡，就是更換卡件。由于放大器布置在卡件上，接線也減少了。還可根據(jù)實際應用對卡件的實體尺寸以及接頭進行裁剪。

機器控制卡有兩種不同的類型：成品的和客戶定制的。成品卡，尤其是總線連接的運動卡，存在已經(jīng)很長時間了，有很多供應商可供選擇?？蛻舳ㄖ瓶?，盡管需要更多的設計工作，也是一種很好的選擇。有個重要的發(fā)展趨勢就是將放大器（IC或者基于模塊的）集成到卡件上。另外一個趨勢是利用基于IC的成品運動控制器，提供輪廓產(chǎn)生、伺服回路閉合、通訊以及時間關鍵功能，比如自動安全響應、程控中斷以及其它類型的自動運動軸管理。

如何選擇網(wǎng)絡

那么在選擇運動控制網(wǎng)絡時應該考慮哪些因素呢？當考慮分布式運動網(wǎng)絡時，要先考慮在應用中需要哪種類型的信號。運動特性是否依賴于布置在該機器上其它部分的信號？傳感器以及其它非運動控制的執(zhí)行器，比如繼電器，是否也在網(wǎng)絡總線上？如果錯誤出現(xiàn)，運動需要以多快的速度停止？

在考慮基于網(wǎng)絡的方案，是如何以及在多大程度上影響互聯(lián)機器的機械組織的時候，必須考慮的另外一個重要因素是：“如果電子部件分布在整個機器上，那如何對機器進行維護？”盡管由技術人員提供維護的傳統(tǒng)機架式卡件，可能到處都是亂糟糟的線，但是必須要說明的是，它們還是處于同一“屋檐”下的。易維護性以及在整個生命周期內(nèi)的成本，會極大的影響控制系統(tǒng)的設計選擇。

由于重量、受熱或者其它環(huán)境方面因素的影響，通過將放大器布置在馬達邊上來實現(xiàn)分布式控制，有時候并不可行。傳統(tǒng)的控制機架機柜可以通過空調(diào)系統(tǒng)以及隔熱與機器的運行環(huán)境隔離。而這對于分布式控制經(jīng)常是不可行的。

那什么時候選擇一個控制方案而不是另外一個呢？沒有一個簡單的答案。對于給定的應用。有時候兩種結構都能很好的工作。

工程應用對費用越敏感，設計人員就越有可能去自己設計卡件和集成板載放大器，當然這取決于功耗水平。設計卡件時，可以選擇需要的接頭并根據(jù)特定的運動應用來確定卡件的形狀要素。

機床等需要高度同步的應用，會自然的傾向于多軸運動卡或緊耦合分布式驅(qū)動方案。這些驅(qū)動在馬達類型和功耗范圍方面具有更大的靈活性。不要忘記，需要運動控制卡或者需要帶有專用G代碼軟件的PC來完成整體路徑的生成。

對一些大、中型的應用，比如醫(yī)藥自動化、半導體自動化、科學儀表和低功耗通用自動化，可以通過幾種不同的方案實現(xiàn)，包括：成品機器控制卡，客戶定制機器控制卡，或松耦合分布式驅(qū)動等。

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