在设计一款包含运动控制的应用时,有很多需要考虑的因素,比如使用什么类型的电机,如何选择一款正确的电机驱动器,如何从系统中得到反馈,如何同步动作以及如何让系统中的不同部分互相通信,这些都是在设计一款高可靠性运动控制系统时需要解决的问题。

如下,我们列出一些重点考虑的因素。

  1. 选择什么类型的电机

在任何类型的运动控制应用中,我们都需要首先为这个应用选择一款正确类型的电机。最常见的电机类型有步进电机,直流无刷电机,伺服电机,交流同步电机或者交流感应电机,我们通常基于电机自身的扭矩和速度特征来选择。

当然电机厂商也会帮助用户选择正确的电机,但是在做出决定前我们仍然需要了解电机的一些基本知识。

在闭环控制中,我们会遇到各种类型的传感元件,比如,编码器,光栅尺,旋转变压器,转速计等。电机的闭环控制中,增量式编码器提供相对于初始位置的位置信号,绝对值编码器提供轴的绝对位置,并且在设备启动时能够进行位置归零。

2. 理解通信总线

控制器与驱动器之间的通信可以通过模拟信号,数字信号或者特定的通信总线。其中,通信总线负责将运动指令从控制器传递到驱动器。

在选择通信总线时往往需要考虑许多因素,最重要的因素是控制器和驱动器之间的距离以及将面临的环境干扰。例如,在充满干扰的环境中,像EtherCAT这样的通信总线就比模拟信号更适用。然而,这种选择还高度依赖于控制器和驱动器之间的兼容性,特别是选用不同厂商的控制器和驱动器时,兼容性不容忽视,比如,鸣志的STF系列总线型驱动器就是一款拥有完美兼容性的产品。

3. 什么是同步或者协同运动

评估应用需求以及运动轨迹来提前确定多轴间是否需要同步或者协同,是设计中不可缺少的一步。同步多轴运动最基本的方法是得出一个运动矢量,然后算出其他轴的分量,从而将这些值同步到每个对应的运动轴。另一种方法就是通过电子齿轮,将一个运动轴指定为另一个运动轴的从动装置,实现协同运动。我们通常可以通过主设定点的缩放轨迹得到从轨迹。

有些应用中则是由摄像头或者传感器来同步整个运动,比如,一个用来测试HMI的系统需要将压力传感器的反馈值同步到探针上从而调节准确的触碰压力,才能使整个系统正常工作。一条成品检测系统上,摄像头才是控制整个系统的主设备,起到同步协调作用。

4. 确定系统结构

当确定了硬件以及同步方式后,我们需要决定在哪里执行控制指令,常见的系统结构有两种,分别是单节点控制(将控制指令集中在一台设备中)和多节点控制(将控制指令分散到各个节点)。

第一种单节点控制方法可以通过一台中央控制系统来实现,比如,具有运动控制卡的IPC,这类系统易于设置和搭建,但是在扩展性上有局限性,比如,受PCI插槽数量限制等。第二种多节点控制方法则需要用到多套智能驱动器,例如,鸣志STF系列或者SSDC系列,由驱动器负责运行低级别的控制指令,比如,力矩或者速度的控制指令,这种多节点控制方式唯一的限制是只能通过通信总线来搭建,鸣志EtherCAT智能驱动器的菊花链结构就是这种系统结构的典型案例。

5. 找合适的开发软件

一些运动控制系统都可以单独运行的,而有些系统则需要和其他系统进行集成,最常见的就是集成视觉系统,这时候就需要我们学会用开发软件,很多开发软件中的功能都是模块化的,通过开发软件,我们可以替换不同品牌的同类产品,而不需要对控制指令或者代码进行过多的更改。此外,还可以通过模拟环境来测试整个运动过程,在实物化之前就能完成大多数的指令编写和电机参数调整。