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，使其按照預期的運動軌迹和規定的運動參數進行運動。早期的運動控制技術主要是伴随着數控(CNC)技術、機器人技術(Robotics)和工(gōng)廠自動化技術的發展而發展的。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(wài)的處理器和操作系統支持，可以獨立完成運動控制功能、工(gōng)藝技術要求的其他功能和人機交互功能。這類控制器可以成爲獨立運行(Stand-alone)的運動控制器。這類控制器主要針對專門的數控機械和其他自動化設備而設計，往往已根據應用行業的工(gōng)藝要求設計了相關的功能，用戶隻需要按照其協議要求編寫應用加工(gōng)代碼文件，利用RS232或者DNC方式傳輸到控制器，控制器即可完成相關的動作。這類控制器往往不能離(lí)開(kāi)其特定的工(gōng)藝要求而跨行業應用，控制器的開(kāi)放(fàng)性僅僅依賴于控制器的加工(gōng)代碼協議，用戶不能根據應用要求而重組自己的運動控制系統。通用運動控制器的發展成爲市場的必然需求。

　　由國家組織的開(kāi)放(fàng)式運動控制系統的研究始于1987年，美國空軍在美國政府資(zī)助下(xià)發表了著名的“NGC(下(xià)一(yī)代控制器)研究計劃”，該計劃首先提出了開(kāi)放(fàng)體(tǐ)系結構控制器的概念，這個計劃的重要内容之一(yī)便是提出了“開(kāi)放(fàng)系統體(tǐ)系結構标準規格(OSACA)”。自1996年開(kāi)始，美國幾個大(dà)的科研機構對NGC計劃分(fēn)别發表了相應的研究内容，如在美國海軍支持下(xià)，美國國際标準研究院提出了EMC(增強型機床控制器);由美國通用、福特和克萊斯勒三大(dà)汽車(chē)公司提出和研制了OMAC(開(kāi)放(fàng)式、模塊化體(tǐ)系結構控制器)，其目的是用更開(kāi)放(fàng)、更加模塊化的控制結構使制造系統更加具有柔性、更加敏捷。該計劃啓動後不久便公布了一(yī)個名爲OMAC APT的規範，并促成了一(yī)系列相關研究項目的運行。

　　通用運動控制技術作爲自動化技術的一(yī)個重要分(fēn)支，在20世紀90年代，國際上發達國家，例如美國進入快速發展的階段。由于有強勁市場需求的推動，通用運動控制技術發展迅速，應用廣泛。近年來，随着通用運動控制技術的不斷進步和完善，通用運動控制器作爲一(yī)個獨立的工(gōng)業自動化控制類産品，已經被越來越多的産業領域接受，并且它已經達到一(yī)個引人矚目的市場規模。根據ARC近期的一(yī)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年内綜合增長率達到6.3%。

　　目前，通用運動控制器從結構上主要分(fēn)爲如下(xià)3類：

　　⑴ 基于計算機标準總線的運動控制器，它是把具有開(kāi)放(fàng)體(tǐ)系結構，獨立于計算機的運動控制器與計算機相結合構成。這種運動控制器大(dà)都采用DSP或微機芯片作爲CPU，可完成運動規劃、高速實時插補、伺服濾波控制和伺服驅動、外(wài)部I/O之間的标準化通用接口功能，它開(kāi)放(fàng)的函數庫可供用戶根據不同的需求，在DOS或WINDOWS等平台下(xià)自行開(kāi)發應用軟件，組成各種控制系統。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系列運動控制器産品等。目前這種運動控制器是市場上的主流産品。

　　⑵ Soft型開(kāi)放(fàng)式運動控制器，它提供給用戶最大(dà)的靈活性，它的運動控制軟件全部裝在計算機中(zhōng)，而硬件部分(fēn)僅是計算機與伺服驅動和外(wài)部I/O之間的标準化通用接口。就像計算機中(zhōng)可以安裝各種品牌的聲卡、CDROM和相應的驅動程序一(yī)樣。用戶可以在WINDOWS平台和其他操作系統的支持下(xià)，利用開(kāi)放(fàng)的運動控制内核，開(kāi)發所需的控制功能，構成各種類型的高性能運動控制系統，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性。基于Soft型開(kāi)放(fàng)式運動控制器開(kāi)發的典型産品有美國MDSI公司的Open CNC、德國PA(Power Automation)公司的PA8000NT。美國Soft SERVO公司的基于網絡的運動控制器和固高科技(深圳)有限公司的GO系列運動控制器産品等。Soft型開(kāi)放(fàng)式運動控制的特點是開(kāi)發、制造成本相對較低，能夠給予系統集成商(shāng)和開(kāi)發商(shāng)更加個性化的開(kāi)發平台。

　　⑶ 嵌入式結構的運動控制器，這種運動控制器是把計算機嵌入到運動控制器中(zhōng)的一(yī)種産品，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，實質上是基于總線結構的運動控制器的一(yī)種變種。對于标準總線的計算機模塊，這種産品采用了更加可靠的總線連

　　接方式(采用針式連接器)，更加适合工(gōng)業應用。在使用中(zhōng)，采用如工(gōng)業以太網、RS485、SERCOS、PROFIBUS等現場網絡通信接口聯接上級計算機或控制面闆。嵌入式的運動控制器也可配置軟盤和硬盤驅動器，甚至可以通過Internet進行遠程診斷。例如美國ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GU嵌入式運動控制平台系列産品等。

　　我(wǒ)(wǒ)國在運動控制器産品開(kāi)發方面相對落後，1999年固高科技(深圳)有限公司在深圳成立，她是國内第一(yī)家專業開(kāi)發、生(shēng)産開(kāi)放(fàng)式運動控制器産品的公司。其後，國内又(yòu)有其他幾家公司進入該領域，但實際上，大(dà)多是在國内推廣國外(wài)生(shēng)産的運動控制器産品，真正進行自主開(kāi)發的公司較少。“八五”期間，我(wǒ)(wǒ)國廣大(dà)科研工(gōng)作者也成功開(kāi)發了兩種數控平台和華中(zhōng)Ⅰ型、藍(lán)天Ⅰ型、航天Ⅰ型、中(zhōng)華Ⅰ型等4種基本系統，這些系統采用模塊化，嵌入式的軟、硬件結構。其中(zhōng)以華中(zhōng)Ⅰ型較具代表性，它采用工(gōng)業PC機上插接口卡的結構，運行在DOS平台上，具有較好的模塊化、層次化特征，具有一(yī)定擴展和伸縮性。但從整體(tǐ)來說這些系統是數控系統，不是獨立的開(kāi)放(fàng)式運動控制器産品。目前，我(wǒ)(wǒ)國是世

　　界上經濟發展最快的國家，市場上新設備的控制需求、傳統設備技術升級、換代對運動控制器的市場需求越來越大(dà)。另外(wài)由于市場日益競争的壓力，系統集成商(shāng)和設備制造商(shāng)要求運動控制系統向開(kāi)放(fàng)式方向發展。同時，經濟型數控市場占有率正在逐漸減小(xiǎo)。在這樣的形勢下(xià)，我(wǒ)(wǒ)國可以抓住這一(yī)機遇，研制出具有自主知(zhī)識産權，具有高水平、高質量、高可靠性的開(kāi)放(fàng)式運動控制器産品。

　　通用運動控制器在國内的應用及發展

　　自20世紀80年代初期，通用運動控制器已經開(kāi)始在國外(wài)多個行業應用，尤其是在微電(diàn)子行業的應用更加廣泛。而當時運動控制器在我(wǒ)(wǒ)國的應用規模和行業面很小(xiǎo)，國内也沒有廠商(shāng)開(kāi)發出通用的運動控制器産品。

　　目前，國内運動控制器生(shēng)産廠商(shāng)提供的産品大(dà)緻可以分(fēn)爲3類：

　　⑴ 以單片機或微處理器作爲核心的運動控制器，這類運動控制器速度較慢(màn)，精度不高，成本相對較低。在一(yī)些隻需要低速點位運動控制和對軌迹要求不高的輪廓運動控制場合應用。

　　⑵ 以專用芯片(ASIC)作爲核心處理器的運動控制器，這類運動控制器結構比較簡單，但這類運動控制器大(dà)多數隻能輸出脈沖信号，工(gōng)作于開(kāi)環控制方式。這類控制器對單軸的點位控制場合是基本滿足要求的，但對于要求多軸協調運動和高速軌迹插補控制的設備，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插補功能，也沒有前瞻功能(Look ahead)，特别是對于大(dà)量的小(xiǎo)線段連續運動的場合，如模具雕刻，不能使用這類控制器。另外(wài)，由于硬件資(zī)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(yī)來圓弧插補的精度也不高。

　　⑶ 基于PC總線的以DSP和FPGA作爲核心處理器的開(kāi)放(fàng)式運動控制器。這類開(kāi)放(fàng)式運動控制器以DSP芯片作爲運動控制器的核心處理器，以PC機作爲信息處理平台，運動控制器以插卡形式嵌入PC機，即“PC+運動控制器”的模式。這樣将PC機的信息處理能力和開(kāi)放(fàng)式的特點與運動控制器的運動軌迹控制能力有機地結合在一(yī)起，具有信息處理能力強、開(kāi)放(fàng)程度高、運動軌迹控制準确、通用性好的特點。這類運動控制器充分(fēn)利用了DSP的高速數據處理功能和FPGA的超強邏輯處理能力，便于設計出功能完善、性能優越的運動控制器。這類運動控制器通常都能提供闆上的多軸協調運動控制與複雜(zá)的運動軌迹規劃、實時的插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠實現閉環控制。由于采用FPGA技術來進行硬件設計，方便運動控制器供應商(shāng)根據客戶的特殊工(gōng)藝要求和技術要求進行個性化的定制，形成獨特的産品。

　　以上第一(yī)類運動控制器由于其性能的限制，在市場上所占份額較少，主要應用于一(yī)些單軸簡單運動的場合，往往還面臨同PLC廠商(shāng)提供的定位控制模塊的激烈競争。第二類運動控制器因其結構簡單、成本較低，占有一(yī)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計專用的控制器而分(fēn)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内運動控制器産品的主流，目前國外(wài)開(kāi)放(fàng)式運動控制器産品已經開(kāi)始大(dà)量進入中(zhōng)國;固高科技(深圳)有限公司相繼開(kāi)發出GO、GT、GH和GU系列基于DSP的開(kāi)放(fàng)式運動控制器産品，有近150個品種可供用戶選擇;應用也從傳統的機床數控擴展到了如激光加工(gōng)、服裝、紡織、印染、電(diàn)子加工(gōng)等多個領域，市場規模也有較大(dà)的增長。

　　根據運動控制的特點和應用領域的不同，可以将運動控制分(fēn)成以下(xià)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(zhōng)間過程即運動軌迹無關。相應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，爲了使系統能夠快速加速到設定速度，往往提高系統增益和加大(dà)加速度，在減速的末段采用S曲線減速的控制策略。爲了防止系統到位後震動，規劃到位後，又(yòu)會适當減小(xiǎo)系統的增益。所以，點位運動控制器往往具有在線可變控制參數和可變加減速曲線的能力。

　　⑵ 連續軌迹運動控制：又(yòu)稱爲輪廓控制，主要應用在傳統的數控系統、切割系統的運動輪廓控制。相應的運動控制器要解決的問題是如何使系統在高速運動的情況下(xià)，既要保證系統加工(gōng)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(xiǎo)線段加工(gōng)時，有多段程序預處理功能。

　　⑶ 同步運動控制：是指多個軸之間的運動協調控制，可以是多個軸在運動全程中(zhōng)進行同步，也可以是在運動過程中(zhōng)的局部有速度同步，主要應用在需要有電(diàn)子齒輪箱和電(diàn)子凸輪功能的系統控制中(zhōng)。工(gōng)業上有印染、印刷、造紙(zhǐ)、軋鋼、同步剪切等行業。相應的運動控制器的控制算法常采用自适應前饋控制，通過自動調節控制量的幅值和相位，來保證在輸入端加一(yī)個與幹擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期幹擾，保證系統的同步控制。

　　固高科技公司從開(kāi)發應用的角度把其産品相應地分(fēn)成3類，他們是點位運動控制器、連續軌迹運動控制器和同步運

　　動控制器。從目前國内市場的應用情況反饋來看，按照不同的運動特點和行業應用進行産品開(kāi)發和市場推廣，具有一(yī)定的優勢。

　　固高科技公司的通用運動控制器産品采用以DSP爲核心，結合FPGA現場邏輯可編程器件的靈活性完成運動控制的硬件架構。運動控制過程中(zhōng)，由DSP實現運動規劃，多軸插補、伺服控制濾波等數據運算和實時控制管理。FPGA邏輯可編程器件和其他相關器件組成伺服控制和位置反饋硬件接口。爲了滿足市場需求，使運動控制器具有真正面向對象的開(kāi)放(fàng)式控制結構和系統重構能力，固高科技公司的GT系列産品考慮了用戶可以将自己設計的控制算法加載到運動控制器的内存中(zhōng)，而無需改變控制系統的結構設計就可以重新構造一(yī)個特殊用途的運動控制器。