探讨运动控制技术趋势

近年来，自动化产品的革新趋势可以称之为如火如荼。尤其是之前的两到三年，在市场热潮的强力助推下，各种新技术、新概念不断脱颖而出。而种种新技术和基于此开发的运动控制产品从厂商大张旗鼓的宣传攻势上，真正走到用户的机械产品上，恐怕并不是一个短暂而顺利的过程。
种种新技术和基于此开发的运动控制产品从厂商大张旗鼓的宣传攻势上，真正走到用户的机械产品上，恐怕并不是一个短暂而顺利的过程。尽管厂商研发的方向都是以需求为导向，但仍存在以上的问题。尤其是在我国机械自动化水平还存在很大差异化的时候，新技术是否能够切实解决用户的问题才是决定其能否尽快跳下纸面的因素。尤其是在当前的情境下，运动控制新技术能否与实际需要很好地契合，是最受人关注的。
需求呈多元化 更须切合实际
目前，由于用户的层次较多，市场需求仍然呈现出多元化的特点。用户的需求，甚至用户的下游用户的需求都会对厂商的研发、设计方向产生影响。尽管这是再正常不过的现象，但以需求为研发导向的厂商们，由于主要面对的用户不同，对于市场需求的理解角度和研发方向也各有千秋。
凌华科技的丁辰龙认为，作为自动化产品的主要执行机构的控制组件，速度与精度一直是运动控制产品能力的主要衡量指标。随着自动化能力的提升，生产制造速度的提高一直是追求生产成本最小化的最直接的手段，所以近年来对于单位时间的生产效率的提高是很多设备商追求的首要指标，而作为执行控制机构的运动控制器往往是首当其冲被要求提速的，而产品外观的小型化，要求产品所有组件的小型化，因此制造精度成为另外一个被要求提高的指标。值得一提的是，他将第三个指标定位在了能耗，由于制造业的能耗成为全球主要的能源消耗，所以节能的要求也在制造业被着重指出。为了适应这些需求，运动控制开始节约不必要的中间环节，提高内部对于输入和输出的响应速度，讲求多轴之间高速协同控制，将原先需要软件拟合的算法，更多改由独立的并行处理器完成。
由于用户对综合需求的关注越来越高，集成化又日益成为自动化技术发展的一个方向，致使很多对不同自动化设备要求的分野也模糊起来。罗克韦尔自动化的郑宇铭指出：比较通用的控制平台、简单的开发环境、信息化和安全性的兼顾等这些本来是非运动控制而是设备本身的要求，现在也被加到了运动控制领域中。同时，原来比较昂贵的高性能运动产品的普及化，将成为趋势（如直线电机、直接驱动、多自由度机械臂等）。他也强调，各个行业对运动控制的要求并不一样，不管是研发还是选购，还是要从实际情况出发。
　　丹纳赫传动的高级技术工程师郭海东同样强调实际情况的多样性，他以位置轮廓指令方式、速度指令方式、电流（转矩）指令方式三种控制方式举例，说明对于不同层次、不同场合的需求，所选用的方式是不同的。
　　位置轮廓指令方式可以控制步进电机驱动器或伺服电机驱动器，不太适合做多轴复杂的协调运动，常见于低端机型的控制，目前用量庞大；速度指令方式，位置环控制在控制器内完成，这种典型的控制方式，适合于大多精度或动态指标不太高的应用，大多数控制卡都支持这种控制方式；而电流（转矩）指令方式，速度环和位置环控制都在控制器内完成，精密或高动态响应一般使用此方式，对控制器中央处理器运算能力要求最高，主流控制卡大都支持这种控制方式。更进一步的是将电流控制器也纳入控制卡中，输出直接控制功率变换器。
　　而郭海东进一步指出，一旦引入多轴协调控制，在这样的系统下，因电流指令方式输出的控制器可以直接协调各个轴的转矩，从而提高了协调各轴位置的响应速度；传统的模拟量输出方式因其分辨率的限制而难以再提高运动的精度和响应速度，不得不采用运动控制总线；运算速度低的运动控制器也难以完成复杂算法的解算，这也催生了采用64位双精度浮点DSP的控制器的诞生。
　　运动控制寻求开放性
　　上文也曾提及，用户之间的竞争使他们对于机械设备的整体性能日益关注，机械设备的运动也越来越复杂。如此一来，运动控制产品的开放性也成为了一个越来越普遍的话题。尤其是多轴协同控制等进一步的要求纷纷浮现时，就使得运动控制产品不得不寻求与网络技术的结合，以达到更优秀的同步效果。与此同时，这也解决了运动控制部件与其他自动化部件无缝集成的问题。
　　对此，西门子的段诚指出，大部分场合都需要运动控制产品有很强的网络支持能力，越高端的机械，对运动控制产品间的网络速度及传输数据的能力要求越高。网络支持能力的高低决定了机械系统的加工精度与加工速度。
　　事实上，尽管低端的应用仍然为数众多，运动总线、工业以太网等通讯技术的成熟却已经开始形成气候。当解决掉通讯的确定性和高速实时性的两难问题后，各有所长的工业以太网标准几乎同时加入了竞争，最具代表性的包括EtherCAT、EtherNet/IP (CIP motion)、POWERLINK、PROFINET等，而在这些标准背后则是大厂商们的森森阵营。在不久之前，人们还在担心多标准带来的封闭性，现在则似乎已不成为大问题，竞争也使不同的厂商开始了广泛的合作。
　　这无疑为运动控制带来了福音。而现在，一些厂商也开始考虑运动控制与机器视觉技术加以结合，用来满足更具智能化的应用方案。对此，凌华的丁辰龙表示，整体自动化速度与精度的提高是产业需求，是无法完全依靠运动控制单一完成的，与机器视觉、高速传感器的结合是必然之路，这是产业升级的必然趋势，而各个组件之间的技术门槛都是较高的，因此融合必然首先发生在彼此间的接口上，而具备长距离和高速的网络技术，自然成为各家都能承认的共同规格，也会成为热门的技术而受到追捧。
　　而罗克韦尔自动化的郑宇铭也指出，从设备发展看，运动控制作为设备控制的一部分，势必需要与各种技术融合。例如，信息、安全、视觉，甚至过程控制等等。兼顾这些方面的能够提高整机设备的各方面性能，降低使用和开发的整体成本将成为其优势体现的重要方面。
　　而这些，与运动控制技术的开放性是难以分开的。
　　研发方向各有千秋 市场针对性强
　　面对如此形势，运动控制厂商们自然也选择了各自的特色。我们也注意到，这些技术和概念虽然方向不同，但其面对市场的针对性都是极强的。
　　西门子面对多元化需求，所展现出的特色之一是产品的种类多，适应性强。段诚强调，多元化需求要求针对不同的硬件平台，供应商都能提供不同的产品与之配套，做到针对不同用户的不同的全套自动化系统的集成，并做到从用户角度的性价比合理。
　　其产品的设置，也充分体现出这一特点：Simotion是西门子集逻辑控制、工艺控制及运动控制于一体的高性能运动控制器，三种不同的硬件平台 Simotion C（基于PLC的运动控制器）、Simotion D（基于驱动器的运动控制器） 和 Simotion P（基于工业PC机的运动控制器）以及三种编程语言梯形图（LAD）运动控制图表（MCC）和结构文本（ST），能满足各种生产机械的运动控制要求。
　　Sinamics S120是新一代的高性能驱动系统，集V/F、矢量、伺服控制于一体，既能控制普通的三相异步电动机，又能控制高动态高性能的同步伺服、力矩及直线电机，既能实现高精度的闭环速度控制，又能实现位置控制，能满足各种生产机械的驱动控制要求。
　　而Sinamics V80 伺服驱动系统是西门子专为小型简易机械开发的经济型伺服驱动产品，其经济的价格、简易便捷的设定、无需参数化的配置方式为人称道，配以Sinamics S7-200 PLC，则充分体现出经济实用的特点。
　　而同样作为以集成化整体解决方案见长的罗克韦尔自动化，也尽早提出了集成运动控制解决方案Kinematix。郑宇铭认为，由于制造信息化的需求，这将仍然是运动控制系统的发展方向和趋势。罗克韦尔自动化的Kinematix在继续不断完善IA集成架构平台本身的同时，还将不断增添更多模块化的运动控制功能和组件（如Kinematix等），以满足各行业不断增长的各种应用需求。
　　集成运动控制也包含了运动控制系统和机械设备的有机融合—— MECHATRONICS(机电一体化)，这种系统设计方法将有助于大大优化设备设计、制造，提高生产效率，减少设计调试、时间和维护费用，降低整体使用成本和风险。通过全新的运动分析软件MOTION ANALYZER将帮助改善运动控制系统的机电一体化设计。
　　从设备安全方面考虑，罗克韦尔自动化很早就提出了安全型运动控制的方案，作为整体设备安全的重要部分，从而在不同的场合满足不同级别的设备安全需求。另外，一些新的技术也会应用到罗克韦尔的新产品中，如直接驱动产品、单轴多轴直线驱动平台、电动缸直线驱动、直线电机系统等等。
　　而凌华对于运动控制发展的趋势，则有着自己的一套看法。丁辰龙认为，完整可用的运动控制解决方案在广义上来说是不存在的，但在各个厂商所熟悉的行业往往具备很多有共性的技术需求，就能形成通用性的解决方案，而几个类似或者衍生的行业也会有相类似的技术需求，可以整合为整体的方案，这是大而全的需求。而目前高性价比的需求要求灵活配置，按需生成方案，这又是小而精的需求。这两者的协调与统一，即构成每个企业的产品研发策略。
　　他介绍，与在多种硬件平台上都倾泻火力的厂商不同，凌华科技寻求形成一套完整的基于PC的行业应用与产品解决方案，既存在脉冲控制，也存在模拟量控制；既存在集中式，也存在分散式的系统。最近凌华也在研究基于以太网的接口的IO控制、运动控制和机器视觉模组，其应用也向其他行业做了很多拓展。
　　当面对经济震荡的冲击时，业内人士对新技术的态度不尽相同。一种观点认为，对于特定的行业来说，经济危机为新技术带来的影响势必是负面的，尤其是对于附加值相对较高的新技术产品而言，在价格上无优势可言；相反的观点则认为，在经济危机的影响下，用户反而有可能通过寻求更高端的自动化产品提高竞争力，缩减综合成本，而且价格高并不等于性价比就一定低，认为新技术在险恶的经济环境中还是有机遇的。
　　也许，技术的革新即便在经济形势高歌猛进的情况下也是一种冒险，然而停滞不前则注定无法避免山重水复的一天。