运动控制器是如何进行工作的？它具有哪些种类？

运动控制(Motion Control)通常是指在复杂条件下将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。

运动控制器就是控制电动机的运行方式的专用控制器：比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制(GMC)。

1、运动控制系统的组成

1)一个运动控制器用以生成轨迹点(期望输出)和闭合位置的反馈环。许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。

2)一个驱动器或放大器用来将运动控制器的控制信号(通常是速度或扭矩信号)转换为更高功率的電流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。

3)一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机构或电机用以输出运动。

4)一个反馈传感器如光电编码器、旋转变压器或霍尔效应设备等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。

5)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，它包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。

2、运动控制器原理

运动控制器执行着四个基本任务：传送位置反馈码;发出定位指令或运动波形;关闭位置回路和补偿稳定度。在这四个任务当中，最基本的是传送电动机位置信号和关闭位置回路。电动机位置的确定来自反馈信号，有时还有增量编码器，以及同指令位置的比较信号。实际位置和指令位置之间的差值就是所谓的位置误差。

控制器的任务是在无振荡载荷的条件下将位置误差减到最小程度。大多数情况下，这个任务可由比例微积块或 PID的控制算法来完成。PID的输出信号通过数字化模拟转换器进入放大器和电动机。PID控制器算法的数学表达式：

其中，比例系数 KP与响应速度有关;KD提供稳定性和阻尼量;积分系数 KI则决定系统的精确度。调节这三个系数能使伺服系统调协到最佳系统响应状态。

运动控制器还有产生波形的功能，它能产生与时间无关的位置函数与所要求的速度波形相对应。运动的基本要求可用总距离、转换速度和加速度来表明。因为电动机的位置总是同指令位置一致，运动波形则控制着运动的路径和速度，除了这些基本的任务以外，一台先进的运动控制器还可以执行高层次的功能，例如主机的处理命令、任务排序、I 处理和误差处理。这些特殊功能使控制器实现安全独立的操作。

3、运动控制器工作原理

一个典型的运动控制系统主要由运动部件、传动机构、执行机构驱动器和运动控制器构成，整个系统的运动指令由运动控制器给出，因此运动控制器是整个运动控制系统的灵魂。

目前的运动控制器至少有256个常规程序缓冲区，从而内存可以存储多达256个运动程序。在已经有一个坐标系正在执行程序的情况下，另一个程序也可以在任何一个坐标系下运行。可同时执行的运动程序数目仅仅受已定义的坐标数目的限制。当运动程序在前台有序地同步运行，运动控制器可以在后台下运行多达32个异步PLC程序。这些程序完成一些可编程序逻辑控制器(PLC)的功能。

4、运动控制器的作用

运动控制器是用来实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。

运动控制器是一种电子设备，用于控制运动系统中的运动和位置。它可以接收来自传感器的反馈信号，并输出指令以控制运动执行器的运动和位置。

运动控制器的控制形式有很多类型，包括：

位置控制：控制执行器的位置，通常使用PID控制算法。

跟踪控制：使执行器跟踪给定的轨迹或曲线，通常使用模型预测控制(MPC)等高级控制算法。

力控制：根据外部力或力矩来控制执行器的运动。

扭矩控制：以扭矩为目标进行控制，通常用于机械臂等需要精确控制的应用。

速度控制：控制执行器的转速或运动速度。

压力控制：控制液压系统中的压力并调节执行器的运动。

电流控制：控制执行器的电流，通常用于直流电机控制。

运动控制器被广泛应用于许多领域，尤其是在交流伺服和多轴控制系统中。它可以充分利用计算机资源，方便用户实现运动路径规划，执行预定动作，实现高精度伺服控制。

按照使用动力源的不同，运动控制主要可分为以电动机作为动力源的电气运动控制、以气体和流体作为动力源的气液控制和以燃料(煤、油等)作为动力源的热机运动控制等。据资料统计，在所有动力源中，90%以上来自于电动机。电动机在现代化生产和生活中起着十分重要的作用，所以在这几种运动控制中，电气运动控制应用最为广泛。

电气运动控制是由电机拖动发展而来的，电力拖动或电气传动是以电动机为对象的控制系统的通称。运动控制系统多种多样，但从基本结构上看，一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构和运动控制器反馈检测装置等部分组成。其中的运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号敏感元件、以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。

5、运动控制器的控制形式

点位运动控制：即仅对终点位置有要求，与运动的中间过程即运动轨迹无关。相应的运动控制器要求具有快速的定位速度，在运动的加速段和减速段，采用不同的加减速控制策略。

在加速运动时，为了使系统能够快速加速到设定速度，往往进步系统增益和加大加速度，在减速的末段采用s 曲线减速的控制策略。为了防止系统到位后震动，规划到位后，又会适当减小系统的增益。所以，点位运动控制器往往具有在线可变控制参数和可变加减速曲线的能力。

连续轨迹运动控制：该控制又称为轮廓控制，主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。相应的运动控制器要解决的题目是如何使系统在高速运动的情况下，既要保证系统加工的轮廓精度，还要保证刀具沿轮廓运动时的切向速度的恒定。对小线段加工时，有多段程序预处理功能。

同步运动控制：是指多个轴之间的运动协调控制，可以是多个轴在运动全程中进行同步，也可以是在运动过程中的局部有速度同步，主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的系统控制中。产业上有印染、印刷、造纸、轧钢、同步剪切等行业。相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制，通过自动调节控制量的幅值和相位，来保证在输进端加一个与干扰幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干扰，保证系统的同步控制。

总结，运动控制器的应用已经遍及众多领域，特别是在交流伺服和多轴控制系统中。它能够充分利用计算机资源，方便地帮助用户实现运动轨迹规划、完成既定运动和高精度的伺服控制。运动控制技术将不断和交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术等相结合，促使我国机电一体化技术不断进步。