1.2 運動控制系統的組成

控制結構的模式一般是：控制器+驅動器+執行機構（步進或伺服電動機）+反饋裝置（如編碼器）。控制系統的基礎架構如圖1-1所示，在此基礎上還可以接入觸摸屏和機器視覺產品。

1.控制器

控制器是運動控制系統的核心部件，負責產生運動路徑的控制指令，用于設備的邏輯控制，將運動參數分配給需要運動的軸，并對被控對象的外部環境變化及時做出響應。

通用控制器通常提供一系列運動規劃方法，基于對沖擊、加速度和速度等這些可影響動態軌跡精度的量值的限制，提供對運動控制過程的運動參數的設置和運動相關的指令，使其按預先規定的運動參數和規定的軌跡完成相應的動作。

控制器通過一定的通信手段將控制信號或指令發送給驅動器，驅動器為執行機構（通常為電動機）提供能源動力，控制器接收并分析反饋信號，得到跟隨誤差后，根據控制器的算法，產生減小誤差的控制信號，從而提高運動控制的精度。典型的控制器有PLC可編程邏輯控制器、專用控制器。

圖1-2所示是一些控制器產品。

控制器通過運動緩沖區來存儲運動指令，方便運動軌跡的規劃，詳見第3.2.4節內容。

通常速度規劃曲線包括梯形速度曲線和S形速度曲線。S形速度曲線通過限制加速度和加加速度實現沖擊的限制，可以使運動更加平滑。不加限制的速度曲線即為梯形速度曲線。對于高加速度、小行程運動的快速定位系統，其定位時間和超調量都有嚴格的要求，往往需要高階導數連續的運動規劃方法。

2.驅動器

驅動器是運動控制系統的轉換裝置，用于將來自控制器的控制信號轉換為執行機構的運動，典型的驅動器有變頻器、步進驅動器、伺服驅動器。

控制器產生的指令信號是微小信號，通過驅動器放大這些信號才能滿足電動機的工作需求，故伺服驅動器（servo drives）又稱伺服控制器或伺服放大器，屬于伺服系統的一部分。伺服驅動器如圖1-3所示，主要應用于高精度的定位系統。

伺服驅動器一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電動機進行控制，從而實現高精度傳動系統的控制。尤其是應用于交流永磁同步電動機控制的伺服驅動器，已經成為國內廣泛采用的產品。伺服驅動器調速范圍寬、精度高、可靠性高，還提供多種參數供用戶調節。

步進驅動器是將接收到的運動指令轉換為步進電動機的角位移（對應步距角）的執行機構。在通常情況下，接收對應位移的脈沖信號時，當步進驅動器接收到一個脈沖信號后，按設定的方向轉動一個步距角，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。外部控制器可以通過控制脈沖個數來控制步進電動機的角位移量，從而達到調速和定位的目的。步進系統被廣泛應用于雕刻機、計算機繡花機、數控機床、包裝機械、點膠機、切料送料系統、測量儀器等設備。

3.執行機構

執行機構是運動控制系統中的控制對象，用于將驅動信號轉換為位移、旋轉角度等，通過一些機械機構連接，實現控制對象的運動。常見的執行機構有各種類型的電動機、液壓機構、啟動設備。

常見的傳動方式有滾珠絲桿傳動（見圖1-4）、齒輪傳動（見圖1-5）、齒條傳動（見圖1-6）、帶傳動、絲桿傳動，鏈傳動、液壓傳動、氣壓傳動等。電動機也是常見的執行器。

電動機主要分為步進電動機和伺服電動機，二者的控制方式不同，步進電動機通過控制脈沖的個數控制轉動角度，一個脈沖對應一個步距角；伺服電動機通過控制定子電角度的旋轉，帶動轉子的旋轉，并經過編碼器的反饋構成閉環，從而定位到目標角度，如圖1-7所示。伺服電動機運行平穩，具有較強的過載能力，各方面性能優于步進電動機。

4.反饋裝置

反饋裝置是運動控制系統中進行檢測并處理反饋的裝置，如旋轉編碼器（見圖1-8）、光柵尺（見圖1-9）等。反饋的主要是負載的位置和速度。編碼器是一種非常常見的反饋裝置。伺服電動機一般自帶編碼器（見圖1-7），編碼器用于反饋電動機的實際運行情況，如電動機的當前位置和轉速。