1 、通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀         運(yùn)動(dòng)控制起源于早期的伺服控制 (Servomechanism)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。早期的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控（CNC）技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)（Robotics）和工廠自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。早期的運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)際上是可以獨(dú)立運(yùn)行的專(zhuān)用的控制器，往往無(wú)需另外的處理器和操作系統(tǒng)支持，可以獨(dú)立完成運(yùn)動(dòng)控制功能、工藝技術(shù)要求的其他功能和人機(jī)交互功能。這類(lèi)控制器可以成為獨(dú)立運(yùn)行（Stand-alone）的運(yùn)動(dòng)控制器。這類(lèi)控制器主要針對(duì)專(zhuān)門(mén)的數(shù)控機(jī)械和其他自動(dòng)化設(shè)備而設(shè)計(jì)，往往已根據(jù)應(yīng)用行業(yè)的工藝要求設(shè)計(jì)了相關(guān)的功能，用戶(hù)只需要按照其協(xié)議要求編寫(xiě)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(dòng)作。這類(lèi)控制器往往不能離開(kāi)其特定的工藝要求而跨行業(yè)應(yīng)用，控制器的開(kāi)放性?xún)H僅依賴(lài)于控制器的加工代碼協(xié)議，用戶(hù)不能根據(jù)應(yīng)用要求而重組自己的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通用運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展成為市場(chǎng)的必然需求。         由國(guó)家組織的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究始于1987 年，美國(guó)空軍在美國(guó)政府資助下發(fā)表了著名的“NGC（下一代控制器）研究計(jì)劃”，該計(jì)劃首先提出了開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)控制器的概念，這個(gè)計(jì)劃的重要內(nèi)容之一便是提出了“開(kāi)放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(OSACA)”。自1996年開(kāi)始，美國(guó)幾個(gè)大的科研機(jī)構(gòu)對(duì)NGC 計(jì)劃分別發(fā)表了相應(yīng)的研究?jī)?nèi)容[3]，如在美國(guó)海軍支持下，美國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研究院提出了“EMC（增強(qiáng)型機(jī)床控制器）”；由美國(guó)通用、福特和克萊斯勒三大汽車(chē)公司提出和研制了“OMAC（開(kāi)放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器）”，其目的是用更開(kāi)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(jì)劃啟動(dòng)后不久便公布了一個(gè)名為“OMAC APT”的規(guī)范，并促成了一系列相關(guān)研究項(xiàng)目的運(yùn)行。         通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要分支，在20 世紀(jì)90 年代，國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家，例如美國(guó)進(jìn)入快速發(fā)展的階段。由于有強(qiáng)勁市場(chǎng)需求的推動(dòng)，通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。近年來(lái)，隨著通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，通用運(yùn)動(dòng)控制器作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動(dòng)化控制類(lèi)產(chǎn)品，已經(jīng)被越來(lái)越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并且它已經(jīng)達(dá)到一個(gè)引人矚目的市場(chǎng)規(guī)模。根據(jù)ARC 近期的一份研究，世界通用運(yùn)動(dòng)控制（General MotionControl GMC）市場(chǎng)已超過(guò)40 億美元，并且有望在未來(lái)5 年內(nèi)綜合增長(zhǎng)率達(dá)到6.3％。           目前，通用運(yùn)動(dòng)控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為如下三大類(lèi)： ⑴ 基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器，它是把具有開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合構(gòu)成。這種運(yùn)動(dòng)控制器大都采用DSP 或微機(jī)芯片作為CPU，可完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)插補(bǔ)、伺服濾波控制和伺服驅(qū)動(dòng)、外部I/O 之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口功能，它開(kāi)放的函數(shù)庫(kù)可供用戶(hù)根據(jù)不同的需求，在DOS 或WINDOWS 等平臺(tái)下自行開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，組成各種控制系統(tǒng)。如美國(guó)Deltatau 公司的PMAC 多軸運(yùn)動(dòng)控制器和固高科技（深圳）有限公司的GT 系列運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品等。目前這種運(yùn)動(dòng)控制器是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。 ⑵ Soft 型開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器，它提供給用戶(hù)最大的靈活性，它的運(yùn)動(dòng)控制軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部I/O 之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。就像計(jì)算機(jī)中可以安裝各種品牌的聲卡、CDROM 和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序一樣。用戶(hù)可以在WINDOWS 平臺(tái)和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核，開(kāi)發(fā)所需的控制功能，構(gòu)成各種類(lèi)型的高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，從而提供給用戶(hù)更多的選擇和靈活性?；赟oft 型開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器開(kāi)發(fā)的典型產(chǎn)品有美國(guó)MDSI 公司的Open CNC、德國(guó)PA（Power Automation）公司的PA8000NT。美國(guó)Soft SERVO 公司的基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)控制器和固高科技（深圳）有限公司的GO 系列運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品等。Soft 型開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是開(kāi)發(fā)、制造成本相對(duì)較低，能夠給予系統(tǒng)集成商和開(kāi)發(fā)商更加個(gè)性化的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 ⑶ 嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器，這種運(yùn)動(dòng)控制器是把計(jì)算機(jī)嵌入到運(yùn)動(dòng)控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨(dú)立運(yùn)行。運(yùn)動(dòng)控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信依然是靠計(jì)算機(jī)總線，實(shí)質(zhì)上是基于總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器的一種變種。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)總線的計(jì)算機(jī)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(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信接口聯(lián)接上級(jí)計(jì)算機(jī)或控制面板。嵌入式的運(yùn)動(dòng)控制器也可配置軟盤(pán)和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，甚至可以通過(guò)Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。例如美國(guó)ADEPT 公司的SmartController，固高科技公司的GU 嵌入式運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)系列產(chǎn)品等。         我國(guó)在運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面相對(duì)落后，1999 年固高科技（深圳）有限公司在深圳成立，她是國(guó)內(nèi)第一家專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的公司。其后，國(guó)內(nèi)又有其他幾家公司進(jìn)入該領(lǐng)域，但實(shí)際上，大多是在國(guó)內(nèi)推廣國(guó)外生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品，真正進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)的公司較少。“八五”期間，我國(guó)廣大科研工作者也成功開(kāi)發(fā)了兩種數(shù)控平臺(tái)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(jī)上插接口卡的結(jié)構(gòu)，運(yùn)行在DOS 平臺(tái)上，具有較好的模塊化、層次化特征，具有一定擴(kuò)展和伸縮性。但從整體來(lái)說(shuō)這些系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)，不是獨(dú)立的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。目前，我國(guó)是世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國(guó)家，市場(chǎng)上新設(shè)備的控制需求、傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級(jí)、換代對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的市場(chǎng)需求越來(lái)越大。另外由于市場(chǎng)日益競(jìng)爭(zhēng)的壓力，系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向開(kāi)放式方向發(fā)展。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控市場(chǎng)占有率正在逐漸減小。在這樣的形勢(shì)下，我國(guó)可以抓住這一機(jī)遇，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有高水平、高質(zhì)量、高可靠性的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。 2、 通用運(yùn)動(dòng)控制器在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用及發(fā)展           自20 世紀(jì)80 年代初期，通用運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)開(kāi)始在國(guó)外多個(gè)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(shí)運(yùn)動(dòng)控制器在我國(guó)的應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)面很小，國(guó)內(nèi)也沒(méi)有廠商開(kāi)發(fā)出通用的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。1999 年，固高科技（深圳）有限公司開(kāi)始從事專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。 目前，國(guó)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)廠商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類(lèi)： ⑴ 以單片機(jī)或微處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器速度較慢，精度不高，成本相對(duì)較低。在一些只需要低速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制和對(duì)軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合應(yīng)用。 ⑵ 以專(zhuān)用芯片（ASIC）作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器大多數(shù)只能輸出脈沖信號(hào)，工作于開(kāi)環(huán)控制方式。這類(lèi)控制器對(duì)單軸的點(diǎn)位控制場(chǎng)合是基本滿(mǎn)足要求的，但對(duì)于要求多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速軌跡插補(bǔ)控制的設(shè)備，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器不能滿(mǎn)足要求。由于這類(lèi)控制器不能提供連續(xù)插補(bǔ)功能，也沒(méi)有前瞻功能（Look ahead），特別是對(duì)于大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，如模具雕刻，不能使用這類(lèi)控制器。另外，由于硬件資源的限制，這類(lèi)控制器的圓弧插補(bǔ)算法通常都采用逐點(diǎn)比較法，這樣一來(lái)圓弧插補(bǔ)的精度也不高。 ⑶ 基于PC 總線的以DSP 和FPGA 作為核心處理器的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。這類(lèi)開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器以DSP 芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理器，以PC 機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC 機(jī)，即“PC 運(yùn)動(dòng)控制器”的模式。這樣將PC 機(jī)的信息處理能力和開(kāi)放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開(kāi)放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。這類(lèi)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)邏輯處理能力，便于設(shè)計(jì)出功能完善、性能優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)控制器。這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制與復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)的插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)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(lái)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，方便運(yùn)動(dòng)控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶(hù)的特殊工藝要求和技術(shù)要求進(jìn)行個(gè)性化的定制，形成獨(dú)特的產(chǎn)品。          以上第一類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器由于其性能的限制，在市場(chǎng)上所占份額較少，主要應(yīng)用于一些單軸簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，往往還面臨同PLC 廠商提供的定位控制模塊的激烈競(jìng)爭(zhēng)。第二類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，占有一定的市場(chǎng)份額，但由于其專(zhuān)用芯片（ASIC）能提供運(yùn)動(dòng)控制的基本功能，用戶(hù)可以利用該芯片設(shè)計(jì)專(zhuān)用的控制器而分薄了這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器的市場(chǎng)份額。第三類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器是目前國(guó)類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的主流，目前國(guó)外開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始大量進(jìn)入中國(guó)；固高科技（深圳）有限公司相繼開(kāi)發(fā)出GO、GT、GH 和GU 系列基于DSP 的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品，有近150 個(gè)品種可供用戶(hù)選擇；應(yīng)用也從傳統(tǒng)的機(jī)床數(shù)控?cái)U(kuò)展到了如激光加工、服裝、紡織、印<< span="">