運動控制起源于早期的伺服控制 (ServomechaNIsm)。簡單地說，運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預(yù)期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行運動。早期的運動控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控(CNC)技術(shù)、機器人技術(shù)(Robotics)和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。早期的運動控制器實際上是可以獨立運行的專用的控制器，往往無需另外的處理器和操作系統(tǒng)支持，可以獨立完成運動控制功能、工藝技術(shù)要求的其他功能和人機交互功能。這類控制器可以成為獨立運行(Stand-alone)的運動控制器。這類控制器主要針對專門的數(shù)控機械和其他自動化設(shè)備而設(shè)計，往往已根據(jù)應(yīng)用行業(yè)的工藝要求設(shè)計了相關(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動控制系統(tǒng)。通用運動控制器的發(fā)展成為市場的必然需求。

　　由國家組織的開放式運動控制系統(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)研究計劃”，該計劃首先提出了開放體系結(jié)構(gòu)控制器的概念，這個計劃的重要內(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，美國幾個大的科研機構(gòu)對NGC計劃分別發(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(增強型機床控制器);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。該計劃啟動后不久便公布了一個名為OMAC APT的規(guī)范，并促成了一系列相關(guān)研究項目的運行。

　　通用運動控制技術(shù)作為自動化技術(shù)的一個重要分支，在20世紀(jì)90年代，國際上發(fā)達(dá)國家，例如美國進入快速發(fā)展的階段。由于有強勁市場需求的推動，通用運動控制技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。近年來，隨著通用運動控制技術(shù)的不斷進步和完善，通用運動控制器作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類產(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，世界通用運動控制(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，通用運動控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為如下3類：

　?、?基于計算機標(biāo)準(zhǔn)總線的運動控制器，它是把具有開放體系結(jié)構(gòu)，獨立于計算機的運動控制器與計算機相結(jié)合構(gòu)成。這種運動控制器大都采用DSP或微機芯片作為CPU，可完成運動規(guī)劃、高速實時插補、伺服濾波控制和伺服驅(qū)動、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多軸運動控制器和固高科技(深圳)有限公司的GT系列運動控制器產(chǎn)品等。目前這種運動控制器是市場上的主流產(chǎn)品。

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

　?、?嵌入式結(jié)構(gòu)的運動控制器，這種運動控制器是把計算機嵌入到運動控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨立運行。運動控制器與計算機之間的通信依然是靠計算機總線，實質(zhì)上是基于總線結(jié)構(gòu)的運動控制器的一種變種。對于標(biāo)準(zhǔn)總線的計算機模塊，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)接上級計算機或控制面板。嵌入式的運動控制器也可配置軟盤和硬盤驅(qū)動器，甚至可以通過Internet進行遠(yuǎn)程診斷。例如美國ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GU嵌入式運動控制平臺系列產(chǎn)品等。

　　我國在運動控制器產(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)開放式運動控制器產(chǎn)品的公司。其后，國內(nèi)又有其他幾家公司進入該領(lǐng)域，但實際上，大多是在國內(nèi)推廣國外生產(chǎn)的運動控制器產(chǎn)品，真正進行自主開發(fā)的公司較少?！鞍宋濉逼陂g，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機上插接口卡的結(jié)構(gòu)，運行在DOS平臺上，具有較好的模塊化、層次化特征，具有一定擴展和伸縮性。但從整體來說這些系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)，不是獨立的開放式運動控制器產(chǎn)品。目前，我國是世

　　界上經(jīng)濟發(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、換代對運動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)備制造商要求運動控制系統(tǒng)向開放式方向發(fā)展。同時，經(jīng)濟型數(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動控制器產(chǎn)品。

　　通用運動控制器在國內(nèi)的應(yīng)用及發(fā)展

　　自20世紀(jì)80年代初期，通用運動控制器已經(jīng)開始在國外多個行業(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)時運動控制器在我國的應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)面很小，國內(nèi)也沒有廠商開發(fā)出通用的運動控制器產(chǎn)品。

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

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

　?、?以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器，這類運動控制器結(jié)構(gòu)比較簡單，但這類運動控制器大多數(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)運動和高速軌跡插補控制的設(shè)備，這類運動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)運動的場合，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算法通常都采用逐點比較法，這樣一來圓弧插補的精度也不高。

　?、?基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。這類開放式運動控制器以DSP芯片作為運動控制器的核心處理器，以PC機作為信息處理平臺，運動控制器以插卡形式嵌入PC機，即“PC+運動控制器”的模式。這樣將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點。這類運動控制器充分利用了DSP的高速數(shù)據(jù)處理功能和FPGA的超強邏輯處理能力，便于設(shè)計出功能完善、性能優(yōu)越的運動控制器。這類運動控制器通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運動控制與復(fù)雜的運動軌跡規(guī)劃、實時的插補運算、誤差補償、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)來進行硬件設(shè)計，方便運動控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶的特殊工藝要求和技術(shù)要求進行個性化的定制，形成獨特的產(chǎn)品。

　　以上第一類運動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動的場合，往往還面臨同PLC廠商提供的定位控制模塊的激烈競爭。第二類運動控制器因其結(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)能提供運動控制的基本功能，用戶可以利用該芯片設(shè)計專用的控制器而分薄了這類運動控制器的市場份額。第三類運動控制器是目前國內(nèi)運動控制器產(chǎn)品的主流，目前國外開放式運動控制器產(chǎn)品已經(jīng)開始大量進入中國;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的開放式運動控制器產(chǎn)品，有近150個品種可供用戶選擇;應(yīng)用也從傳統(tǒng)的機床數(shù)控擴展到了如激光加工、服裝、紡織、印染、電子加工等多個領(lǐng)域，市場規(guī)模也有較大的增長。

　　根據(jù)運動控制的特點和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將運動控制分成以下幾種形式：

　　⑴ 點位運動控制：這種運動控制的特點是僅對終點位置有要求，與運動的中間過程即運動軌跡無關(guān)。相應(yīng)的運動控制器要求具有快速的定位速度，在運動的加速段和減速段，采用不同的加減速控制策略。在加速運

　　動時，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，規(guī)劃到位后，又會適當(dāng)減小系統(tǒng)的增益。所以，點位運動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。

　?、?連續(xù)軌跡運動控制：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)的運動輪廓控制。相應(yīng)的運動控制器要解決的問題是如何使系統(tǒng)在高速運動的情況下，既要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運動時的切向速度的恒定。對小線段加工時，有多段程序預(yù)處理功能。

　?、?同步運動控制：是指多個軸之間的運動協(xié)調(diào)控制，可以是多個軸在運動全程中進行同步，也可以是在運動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)的運動控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，通過自動調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來保證在輸入端加一個與干擾幅值相等、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，他們是點位運動控制器、連續(xù)軌跡運動控制器和同步運

　　動控制器。從目前國內(nèi)市場的應(yīng)用情況反饋來看，按照不同的運動特點和行業(yè)應(yīng)用進行產(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動控制器產(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動控制的硬件架構(gòu)。運動控制過程中，由DSP實現(xiàn)運動規(guī)劃，多軸插補、伺服控制濾波等數(shù)據(jù)運算和實時控制管理。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，使運動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)計的控制算法加載到運動控制器的內(nèi)存中，而無需改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計就可以重新構(gòu)造一個特殊用途的運動控制器。