本文摘自彭瑜、何衍庆老师的新书《运动控制系统软件原理及其标准功能块应用》第一章。

该书针对智能制造对运动控制软件功能的基本要求，全面论述其基础技术和知识，重点讲述PLCopen国际组织制定的运动控制软件功能规范的概念、原理和功能块。

一、 运动控制技术的发展

运动控制系统发展经历从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字，直到基于PC的伺服控制网络系统和基于网络的运动控制的发展过程。从运动控制器件的发展看，大致经历下列阶段：

① 模拟电路。早期运动控制系统一般采用运算放大器等分立元件，以模拟电路硬件连线方式构成。这类控制系统具有响应速度快、精度较高、有较大带宽等优点。但与数字系统比较，存在老化和环境温度的变化对构成系统的元器件参数影响很大；元器件较多，系统复杂，使系统可靠性下降；采用硬接线，修改困难；受系统规模限制，难以实现高精度、大运算量的复杂控制算法等缺点。

② 微处理器。微处理器集成了CPU、RAM、ROM等，具有运算速度快、功率消耗低、集成度高、抗扰性强等优点。但总体集成度仍较低，不具备运动控制所需的控制算法，处理速度和能力有限等缺点。

③ 通用计算机。它采用高级编程语言和相应的控制软件，配合计算机通信接口和驱动电动机的电路板，可独立组成运动控制系统。可以实现高性能、高精度的复杂控制算法，程序修改方便。但受到通用计算机的限制，其实时性较差，体积大，难于在工业现场应用。

④ 专用运动控制芯片。专用的运动控制芯片将实现运动控制所需的各种逻辑功能和运动控制功能集成在一块专用集成电路板内，提供了一些专用控制指令，并具有一些辅助功能，使用户软件设计工作量减小到最小程度。但由于软件算法固化，所以复杂控制算法实现困难，程序扩展性和灵活性较差。

⑤ 数字信号处理器。数字信号处理器（DSP：Digital Signal Processer）是集成极强数字信号处理能力和电动机控制系统所必需输入、输出、模数变换、事件捕捉等外围设备的能力的专用芯片。是一个实时处理信号的微处理器。具有体积小、功耗低、运算速度快等特点。近年推出的超长指令字（VLIW）结构、超标量体系结构和DSP/MCU混合处理器是DSP结构发展的新潮流。

⑥ 可编程控制器。早期可编程控制器以逻辑运算为主，不具有运动控制算法。近年来，PLCopen组织颁布了运动控制规范，将运动控制、逻辑控制和安全结合在一个平台，实现运动控制。

表1-1是运动控制系统发展历史。

表1-1 运动控制系统发展历史

我国运动控制技术的发展相对落后。上世纪80年代开始采用通用运动控制器产品。应用规模小，应用范围窄。此外，运动控制器的运动速度较慢，精度也不高。随着对外开放政策的落实，一些国外运动控制产品进入国内，一些外商和合资企业建立，促进了运动控制技术的发展。

二、 运动控制系统的关键技术

运动控制技术是包含机械工程、电子工程、控制工程、计算机科学及传感检测技术的相互交叉和融合的综合性技术。

① 精密机械技术。机械技术是运动控制的技术基础。在运动控制中，机械结构更简单，功能更强，一些新机构、新原理、新材料和新工艺被应用，能够满足对各种应用的需要，既提高精度和刚度，又改善性能，例如，体积缩小，重量降低，性价比提高等。

② 传感检测技术。运动控制技术需要对位置、速度、加速度等检测，组成反馈回路，实现伺服控制系统，为此，对传感检测技术提出更高要求，例如，高精度检测，快速检测和苛刻环境条件检测等。

③ 计算机与信息处理技术。运动控制中涉及大量运动信息，因此，除了这些信息的检测传送外，还涉及计算机与信息处理的大量工作。例如，信息的交互、运算、判断、决策等。与过程控制中采用集散控制系统不同，它对信息处理时间要求更高，对信息实时性和交互要求更高。

④ 自动控制技术。在过程控制中，控制理论是基础。同样，在运动控制中，控制理论也是基础。由于被控对象不同，并且大量伺服系统的电动机是非线性被控对象。因此，高精度位置控制、轨迹控制、同步控制等都需要控制理论用于指导。

⑤ 伺服驱动技术。伺服驱动技术是在控制器输出指令下，控制驱动元件使其按照指令要求运动，因此，需要满足运动过程动态响应等性能指标。由于不同的伺服驱动方式有不同的动态性能，因此，对DC伺服、AC伺服、步进等电动机和变频技术等有更高要求。而伺服技术则从DC伺服转向AC伺服。全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术等已经显现其优势。

⑥ 系统总体技术。运动控制技术是对整个运动系统的控制，因此，既要将运动控制系统分解为各自自治又相互交互的单元，又要在总体性能要求下兼顾各个个体性能。只有这样，才能使设计的运动控制系统具有良好的性价比，满足应用要求。

三、 智能制造市场对运动控制产品和系统的要求

智能制造市场对运动控制产品和系统的要求如下：

① 性能更好。表现为：能效高，改善能效算法，驱动功耗低，编码器分辨率高，运动控制通信总线速率高、抖动小等。

② 更安全。推行国际机械安全标准（UL－ISO－IEC），提供运动控制和安全控制一体化系统，采用高绝缘材料等。

③ 更智能。伺服驱动器智能算法，运动控制软件平台对不同行业和装备的针对性更强，以低制造成本为前提向绝对型定位驱动反馈发展，优化节能和降低能源损耗。

④ 更快速。提高伺服电机轴速，高电压驱动要求采用高性能IGBT和FET器件才能满足高转速输出，低谐波，提高器件反馈带宽至400KHz以上。

⑤ 噪声更小。采用新的电机设计降低震动和减少电机固有谐波，控制电机功率输入的谐波，控制电机输入电压和电流的波形以降低谐波。

⑥ 运转更平滑。利用DSP和FPGA的性能计算和存贮电压电流波形，消除谐波和畸变，使运动速度和加速度更为平滑，高分辨的反馈信号和更好的运动控制总线性能也有利于运动平滑平稳。

⑦ 体积更小。运动控制产品安装的空间减小，使整体产品体积缩小。

⑧ 价格更便宜。中国制造的伺服系统比美国至少便宜20%，运动控制系统中软件比硬件的比例更高意味着整体价格趋向于不断下降；数字驱动比模拟驱动价格便宜，性能更强；随着运动控制产品越来越广泛的运用于各行各业，生产批量越来越大，它的成本可迅速下降；此外，随着机械系统变得简约，整体成本也显著降低。

四、 运动控制系统存在的问题

① 长期以来，用户能够在很大范围内选择实现运动控制的硬件。不过，每种硬件都要求独自而无法兼容的开发软件。即使所要求的功能完全相同，在更换另一种硬件时，也需要重新编写软件。这一困扰运动控制用户的问题，其实质就是如何实现运动控制软件的标准化。

② 为适应应用需要，开发一体化的逻辑控制、运动控制、视觉控制开发平台是高效、快速开发智能制造生产线和智能制造装备的必然趋势。传统运动控制器虽然集成PLC功能，但PLC和运动控制是相对独立的两套软件，常需要IO接口交换数据实现同步等，造成成本高，系统复杂，维护困难。

③ 运动控制的要求不同。例如，机器人和数控机床关注的是路径规划、运动参数的混成缓冲等。机器人主要是面时间的定位。数控机床主要解决型面和轮廓的加工，即关注加工刀具的运动路径控制。而印刷机械、包装机械等关注的是主轴和从轴之间的同步和工艺节拍。

④ 由于运动部件有一定的质量，为保证它能准确地停在目标位置，需要按照原来已经定义的减速值计算驱动器的速度，所计算的速度值用于生成一个优化的位置参考值，在该位置开始减速，就能让驱动器准确停在目标位置。

⑤ CNC和机器人这些制造单元的开放架构问题。MES、ERP、CAM等都要求制造设备层能提供基于IT技术的软硬件接口。而智能制造技术的实现也要求CNC、机器人和其它制造单元和设备之间建立开放性的网络和软件接口。此外，传统CNC采用G代码编程，PLC采用IEC 61131-3编程语言编程。

⑥ 运动控制系统中为了保证返回原点的准确，常常在靠近原点的某个位置设置一个位置开关强制减速。但在需要进行许多点定位时，就很难设置多个位置开关。计算优化开始减速的位置，必须有基准位置。

PLCopen组织开发运动控制规范的目的是解决上述存在的问题。基于IEC 61131-3的编程环境，将开发、设计、安装和维护运动控制软件和逻辑控制、安全控制和视觉控制等结合在一个操作平台，能够协调不同编程开发平台，满足运动控制、逻辑和安全控制视觉控制等应用要求。

经多年的应用，PLCopen的运动控制规范已经成为独立于运动控制硬件的开发平台，它具有良好的可复用性，大大降低开发、应用和维护成本。它能够与IEC 61131-3友好地结合在同一开发环境下协调工作，也能够在安装和维护等各阶段满足应用的要求。该规范的第4部分规定了各种协调运动的功能块，既集合机器人、CNC和通用运动控制的工程软件平台，也将硬件和软件一体化，成为实际应用运动控制规范的智能装备。

五、 运动控制系统的发展趋势

运动控制技术是推动工业4.0的关键技术。其发展趋势如下：

① 智能化。智能控制已经深入到运动控制系统的各个层次，智能化已经成为一切工业控制设备的流行趋势。智能化主要表现在下列方面：

具有参数记忆功能。系统所有参数可通过人机界面由软件设置，并保存在运动控制系统的伺服单元内部，这些参数能够方便地在运动过程中被修改和观测。

具有参数自整定功能。闭环控制系统的参数整定，可通过自整定的控制算法实现，从而使控制系统运行更稳定，控制精度更高，动态响应更快。

具有故障自诊断和分析功能。当系统发生故障时，系统可自动提供有用的故障信息，例如，故障的类型、可能引起故障的原因、检查方法和消除故障的步骤等。从而简化维护和缩短调试和维护时间，降低成本。

具有预定义的行业应用的宏功能，可通过简单的行业专用宏命令实现复杂的功能。

② 统一的操作平台。为了在不同应用中使用，软件平台的统一是极其重要的。为此，PLCopen组织专家，制定和完善了运动控制的标准规范。一些制造商也根据该规范开发了相应的操作平台。在该平台环境，可运行编程程序，对不同被控对象，例如，CNC、数控机床、数据加工中心、各种类型的机器人进行编程。也可通过该平台，实现人机交互，完成对伺服控制系统的控制。这些操作平台将逻辑运算、运动控制和安全集成在一起，方便了用户的应用。PLC技术、机器人技术和CNC技术正在呈现融合发展的趋势。

③ 数字化。采用新型高速微处理器和专用信号处理器DSP代替原来的模拟电子器件，实现全数字化的伺服控制。将原来用硬件实现的伺服控制变成以软件实现的伺服控制，使控制性能得到改善，更便于控制功能的实现。例如，采用NURBS样条函数、多阶多项式的插补技术，采用前馈控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等。观测器和各种辨识技术被应用于运动控制系统中，极大地改善了控制系统的控制性能，为复杂的多层网络控制提供了基础。数字化主要表现如下：

精确定位控制的同时，还可满足速度控制和转矩控制的要求。

通过工业以太网可方便实现多轴同步控制。

启动力矩大，加减速控制功能强，可方便地实现快速运动。

便于用软件来实现各类机械装置运动过程中负载控制的要求。

节能潜力大。

数字化使硬件接线降低的同时也降低了故障的发生率。离线调试和离线编程不仅缩短工期而且有利于操作人员的培训。

④ 交流化。从目前市场分析看，新的伺服控制系统已经呈现全AC伺服控制的情况，说明越来越多的制造商已经看到交流伺服控制系统的优点。变频调速技术的发展已使交流伺服电机成为主流产品，主要表现为：

提供很宽的转矩范围的专用伺服电机。例如，峰值转矩范围从95mNm到1650Nm。

提供紧凑尺寸的直接驱动的专用伺服电机。例如，专门为食品行业提供专用的不锈钢电机，为液体和高洁净度应用的伺服电机等。

提供集成驱动器的专用伺服电机。例如，安装在电机上的模块化的高度集成的伺服电机，它将电机壳体作为散热片，缩小体积。

提供简化安装的直接驱动的伺服电机。例如，采用全新的DDR直接驱动技术的，结合无机架直接驱动电机的性能优点和完整机架的电机安装便利性生产的伺服电机。

⑤ 模块化和网络化。模块化是网络化的前提。为实现网络化，将不同制造商的产品集成在同一平台，各产品必须模块化，它们有标准的接口用于互联和互操作。网络化是指利用通信技术和计算机技术将不同地点的计算机和各类电子终端设备互连，按一定网络协议相互通信，达到用户资源（硬件、软件和数据）共享的目的。目前的运动控制系统产品都具有标准的通信接口和现场总线接口，可实现与其他控制设备的互联，这也为整个车间或企业的生产管理提供了坚实基础。

⑥ 功能专用化。根据特殊市场的需求，一些其他用途的专用运动控制系统也越来越多地被开发和应用。例如，图形伺服控制的专用运动控制器、力伺服的专用运动控制器、电机专用运动控制器等。为此，一些制造商根据应用需要设计出个性化的运动控制器。

六、 运动控制技术的应用领域

运动控制技术已经在各行各业迅速发展并获得应用。例如，在汽车、机床、仪表、各种机械工程、工业机器人和民用工业都得到广泛应用。

① 各种机械。数控机床，包括数控车床、数控磨床、数控铣床等数控设备、加工中心，包括各种数控机械加工等设备。

② 机器人。各种类型的机器人。例如，焊接、装配、搬运、喷涂、建筑等行业的机器人、机器臂，消防、医疗、抢险、辅助机器人等。此外，各种无人装置，例如，无人机、无人驾驶汽车等。

③ 生产流水线。各种无人或少人的生产流水线。例如，面包生产线、纺织生产线、啤酒生产线等。包括各种物体、材料等输送的生产流水线。

④ 测量测试。例如，坐标检测、齿轮检测、进给检测、定位检测、电子线路板测试、超声波扫描等。

⑤ 军事航空航天。例如，自行火炮、坦克等武器的火控系统、车（船）载卫星移动通信、飞机机载雷达、天线定位器、激光跟踪装置、天文望远镜、空间摄影控制等。

⑥ 医疗设备。例如，血压分析、CAT扫描、DNA测试、测步、尿样测试、医疗图像声纳、人造心脏、人造肺等。

⑦ 纺织机械。例如，自动织带机、地毯纺织机、被褥缝制机、绕线机、编织机等。

⑧ 半导体制造和测试。例如，晶体自动输送、电路板连接器、IC插装机、晶片探针器、抛光机、晶片切割机、清洗设备等。

总之，运动控制的应用领域十分广泛。包括各行各业，例如，半导体生产、包装装配、纺织编织、军事航天、仓储碼垛、塑料加工成型、食品加工、医疗等。

运动控制技术已经在国民经济和社会发展的各行各业、各领域发挥其作用，并产生巨大经济效益。它是控制理论在机械工程和电力工程的完美应用，它将微电子技术、电子电力技术、计算机和信息技术、传感检测技术、电机学等技术灵活结合，是一门综合性的学科。

发展先进运动控制技术具有极其重要的现实意义。

目前我国五大工程实施效果初显；重大标志性项目取得阶段性成效；开展试点示范，落地生根效应凸显；制定分地区指南，各地差异化发展格局加快形成；制造业与互联网融合效应明显；实施专项行动，质量品牌建设取得初步成效，相信运动控制技术在不久将来将成为中国制造的重要手段和支柱。

作者简介

彭瑜，教授级高工，上海工业自动化仪表研究院技术顾问，PLCopen中国组织名誉主席，工信部智能制造标准化体系建设工作组专家，国家智能制造标准化协调推进组专家咨询组专家。