1.2 运动控制系统的组成

控制结构的模式一般是：控制器+驱动器+执行机构（步进或伺服电动机）+反馈装置（如编码器）。控制系统的基础架构如图1-1所示，在此基础上还可以接入触摸屏和机器视觉产品。

1．控制器

控制器是运动控制系统的核心部件，负责产生运动路径的控制指令，用于设备的逻辑控制，将运动参数分配给需要运动的轴，并对被控对象的外部环境变化及时做出响应。

通用控制器通常提供一系列运动规划方法，基于对冲击、加速度和速度等这些可影响动态轨迹精度的量值的限制，提供对运动控制过程的运动参数的设置和运动相关的指令，使其按预先规定的运动参数和规定的轨迹完成相应的动作。

控制器通过一定的通信手段将控制信号或指令发送给驱动器，驱动器为执行机构（通常为电动机）提供能源动力，控制器接收并分析反馈信号，得到跟随误差后，根据控制器的算法，产生减小误差的控制信号，从而提高运动控制的精度。典型的控制器有PLC可编程逻辑控制器、专用控制器。

图1-2所示是一些控制器产品。

控制器通过运动缓冲区来存储运动指令，方便运动轨迹的规划，详见第3.2.4节内容。

通常速度规划曲线包括梯形速度曲线和S形速度曲线。S形速度曲线通过限制加速度和加加速度实现冲击的限制，可以使运动更加平滑。不加限制的速度曲线即为梯形速度曲线。对于高加速度、小行程运动的快速定位系统，其定位时间和超调量都有严格的要求，往往需要高阶导数连续的运动规划方法。

2．驱动器

驱动器是运动控制系统的转换装置，用于将来自控制器的控制信号转换为执行机构的运动，典型的驱动器有变频器、步进驱动器、伺服驱动器。

控制器产生的指令信号是微小信号，通过驱动器放大这些信号才能满足电动机的工作需求，故伺服驱动器（servo drives）又称伺服控制器或伺服放大器，属于伺服系统的一部分。伺服驱动器如图1-3所示，主要应用于高精度的定位系统。

伺服驱动器一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电动机进行控制，从而实现高精度传动系统的控制。尤其是应用于交流永磁同步电动机控制的伺服驱动器，已经成为国内广泛采用的产品。伺服驱动器调速范围宽、精度高、可靠性高，还提供多种参数供用户调节。

步进驱动器是将接收到的运动指令转换为步进电动机的角位移（对应步距角）的执行机构。在通常情况下，接收对应位移的脉冲信号时，当步进驱动器接收到一个脉冲信号后，按设定的方向转动一个步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。外部控制器可以通过控制脉冲个数来控制步进电动机的角位移量，从而达到调速和定位的目的。步进系统被广泛应用于雕刻机、计算机绣花机、数控机床、包装机械、点胶机、切料送料系统、测量仪器等设备。

3．执行机构

执行机构是运动控制系统中的控制对象，用于将驱动信号转换为位移、旋转角度等，通过一些机械机构连接，实现控制对象的运动。常见的执行机构有各种类型的电动机、液压机构、启动设备。

常见的传动方式有滚珠丝杆传动（见图1-4）、齿轮传动（见图1-5）、齿条传动（见图1-6）、带传动、丝杆传动，链传动、液压传动、气压传动等。电动机也是常见的执行器。

电动机主要分为步进电动机和伺服电动机，二者的控制方式不同，步进电动机通过控制脉冲的个数控制转动角度，一个脉冲对应一个步距角；伺服电动机通过控制定子电角度的旋转，带动转子的旋转，并经过编码器的反馈构成闭环，从而定位到目标角度，如图1-7所示。伺服电动机运行平稳，具有较强的过载能力，各方面性能优于步进电动机。

4．反馈装置

反馈装置是运动控制系统中进行检测并处理反馈的装置，如旋转编码器（见图1-8）、光栅尺（见图1-9）等。反馈的主要是负载的位置和速度。编码器是一种非常常见的反馈装置。伺服电动机一般自带编码器（见图1-7），编码器用于反馈电动机的实际运行情况，如电动机的当前位置和转速。