概观 本教程是在NI测量基础系列的一部分。 每个在这个系列的教程，教你一个常用的测量应用的特定主题的解释理论概念，并提供实际的例子。 在本教程中，学习运动控制系统的基础知识，包括软件，运动控制器，驱动器，电机，反馈装置，I / O。
您还可以查看交互式演示 ，通过本教程的材料在自己的步伐。
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运动控制系统的组成部分 图1显示了一个运动控制系统的不同组件。
图1。 运动控制系统组件
应用软件-您可以使用应用软件，以命令的目标位置和运动控制型材。
运动控制器 -运动控制系统的大脑作用到所需的目标位置和运动轨迹，并建立电机的轨迹遵循，但输出±10 V的伺服电机或步进和方向脉冲信号，步进电机。
放大器或放大器（也称为驱动器） 驱动器 -从控制器的命令和需要开车或关闭电机的电流产生。
电机 -电机机械能变成电能和生产所需的目标位置移动到所需的扭矩。
机械部件 -电机的设计提供一些力学的扭矩。 这些措施包括线性滑轨，机械手臂，和特殊的驱动器。
反馈装置或位置传感器 -位置反馈装置是不是需要一些运动控制应用（如步进电机控制），但重要的是为伺服电机。 反馈装置，通常是一个正交编码器，感应电机的位置和结果报告控制器，从而结束循环的运动控制器。 软件配置，原型设计，开发 应用软件分为三大类：配置，原型和应用程序开发环境（ADE）。 图2说明了运动控制系统的编程过程和相应的NI产品设计过程：
图2。 运动控制系统开发过程
组态
做的第一件事情之一，是您的系统配置。 为此，美国国家仪器公司提供测量与自动化浏览器（MAX），不仅运动控制，但所有其他NI硬件配置的交互式工具。 对于运动控制，MAX提供交互式的测试和调整面板，帮助您验证系统功能之前，你的程序。
图3 NI MAX是一个交互式工具，用于配置和调整您的运动控制系统。
原型
当你配置你的系统，你可以开始原型和开发应用程序。 在这个阶段中，创建您的运动控制配置文件，您的系统上进行测试，以确保他们是你的打算。 为原型，NI提供了一个互动的工具，称为NI运动助手，您可以使用该配置使用点和点击环境的举措，并产生NI LabVIEW代码的基础上配置的移动。 NI运动助手的主要好处在于可配置和可编程环境之间的差异。 可配置的环境，你就可以开始您的开发，而无需编程。 你能想到在写好的代码块，你只需简单地配置，以满足您的需求NI运动助手的任务。 可编程环境，另一方面，需要您使用标准的编程语言，如LabVIEW，C或Visual Basic来完成任务。 不幸的是，许多配置的环境可能会受到限制，在功能，或在整合能力与其他I / O以外的议案。 NI运动助手桥梁提供所有配置的系统功能以及LabVIEW代码生成可编程和可配置的环境之间的差距。
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图4。NI 运动助手，帮助您快速原型的应用程序，然后进一步发展的LabVIEW VI或C代码转换成你的项目 。
评估软件
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发展
原型阶段后，下一步是发展的最终应用程序代码。 对于这一点，你使用如LabVIEW，C或Visual Basic的ADE驱动程序级软件。 对于NI运动控制器，您可以使用NI-Motion驱动软件。
NI-Motion驱动软件包含的功能可以使用在Windows或LabVIEW实时操作系统的NI运动控制器通信。 NI运动还包括MAX来帮助您轻松地配置和调整您的运动系统。
对于非Windows系统，您可以使用NI运动控制硬件DDK手册开发自己的驱动程序。 它说明了如何进行沟通与NI运动控制器的低水平上。 如果你不具备专业知识或时间来开发自己的驱动程序，NI联盟伙伴传感系统提供了一个Linux和VxWorks驱动程序，可以创建其他操作系统，如Mac OS X或RTX的，司机。
运动控制器 运动控制器作为运动控制系统的大脑，并计算出每个命令的移动轨迹。 这个任务是至关重要的，因为它往往需要一个数字信号处理器（DSP）对董事会本身，以防止主机电脑干扰（你不会希望你的议案停止，因为你的杀毒软件开始运行）。 运动控制器使用它计算的轨迹，以确定适当的扭矩命令发送到电机放大器，实际上造成的议案。
该运动控制器还必须关闭PID控制回路。 因为这需要高水平的决定，是至关重要的一贯作业，控制回路通常关闭的板本身。 随着关闭控制回路，运动控制器的管理监控，监测的范围和紧急停止，以确保安全运行。 指导这些操作发生在黑板上或在实时系统，确保高可靠性，确定性，稳定性和必要的安全创建工作的运动控制系统。
了解更多National Instruments的基于DSP的运动控制器的FlexMotion架构 。
计算的轨迹
运动轨迹描述的运动控制器控制或指令信号输出到驱动器/放大器，在电机/运动行动的个人资料如下。 典型的运动控制器计算运动轨迹轨迹段基于参数重视你的计划。 运动控制器使用所需的目标位置，最大目标速度和加速度值，你给它来确定多少时间花费在三个主要的移动分部（包括加速，等速，减速）。
对于一个典型的梯形轮廓的加速段，运动开始从停止位置或先前的举动，并遵循规定的加速斜坡，直到速度达到目标的速度移动。
一个典型的梯形速度曲线 图5。
议案在规定期限继续，直到控制器决定，现在是时候开始减速段的议案，并减缓到完全停止所需的目标位置在目标速度。
如果此举是足够短，已完成之前发生的加速减速的起点，然后出现轮廓三角，而不是梯形和实际达到的速度可能达不到预期的目标速度。 S曲线加速/减速是一个基本的梯形轨迹增强的加速和减速斜坡修改成一个非线性，曲线轮廓。 这以上的斜坡形状的精细控制是基于惯性，摩擦力，汽车动力学，和其他机械运动系统的限制剪裁的运动轨迹表现非常有用。
选择合适的运动控制器
NI提供基于DSP的运动控制器的三个主要的家庭，包括低成本的NI 733X系列，中档NI 734x系列，高性能的NI 735x系列。 在NI 1674-7267低成本控制器提供四轴步进马达控制，大部分的基本功能，你需要的各种广泛的应用，包括单一和多轴点至点的运动。 NI 734x系列的中档系列，可提供高达4轴步进电机和伺服控制，以及一些更高的性能，如轮廓和电子齿轮功能。 NI 735x系列是目前最先进的系列，可提供高达8轴步进和伺服控制，额外的I / O和许多强大的功能，包括正弦换向无刷电机和4兆赫定期断点高速（或位置触发器）整合。
创建自定义运动控制器
虽然目前与DSP的运动控制器适合多种应用，当谈到与伺服更新率高达200 kHz的快速高精度的运动控制，机器制造商转向自定义印制电路板（PCB）设计自己的运动控制器。 不仅是在时间和成本方面的发展，价格昂贵，但固定的个性使运动控制器为未来的重新设计，或安置在运动控制算法的变化，在运行时的系统僵化。 一些应用程序需要这样的精度和灵活性高的水平，包括在半导体产业的晶圆加工机或内嵌车辆测序（IL??VS）重构运行时间为汽车行业的装配生产线。 国家仪器配置I / O（RIO）技术结合NI SoftMotion技术提供了合适的工具，机器制造商谁想要完整的现场可编程门阵列（FPGA）的灵活性，高精度的定制与运动控制。 除
了高精度的应用，机器制造商和原始设备制造商可以使用LabVIEW NI
SoftMotion模块，实现多轴协调运动控制使用各种平台上的LabVIEW - NI
M系列数据采集（DAQ）设备工业电脑插件和PXI来坚固系统使用NI CompactRIO和Compact
FieldPoint的可编程自动化控制器（PAC）。 移动类型 单轴，点至点的运动
其中一个最常用的配置文件是简单的，单一的轴，点至点的举动，这就要求轴需要移动位置。 通常情况下，它也需要在您想要的议案动议的速度和加速度（通常提供的默认设置）。 图6显示了如何将单一轴在LabVIEW中使用的默认速度和加速度。
图6。 单轴，点至点的运动，在LabVIEW
协调多轴运动
另一种类型的运动协调多轴运动，或载体的议案。 此举往往是点至点的运动，但在二维或三维空间。 矢量移动要求的X，Y，和/或Z轴的最后立场。 你的运动控制器也需要某种类型的载体速度和加速度。 这个运动轨迹通常在XY型应用，如扫描或自动显微镜发现。 图7显示了如何使用LabVIEW来完成一个3轴移动。 协调运动的更多信息，查看NI-Motion驱动软件例子在的LabVIEW Multiaxis.llb库。
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图7。 在LabVIEW的多轴运动协调
混合运动
混纺议案涉及混合，导致动作作为一个融合在一起的两个动作。 混合动作需要两个动作和混合因子指定的混合大小。 混合是需要两个不同的动作之间的连续运动的应用非常有用。 然而，在混纺议案，您的系统不通过在原来的轨迹点。 如果沿路径的具体位置，对你很重要，考虑轮廓的议案。
图8 混合运动 。
图8说明了在LabVIEW中的两个向量移动的融合。 对于混合的更多信息，查看序列混合向量移动的例子程序在NI-Motion驱动软件。
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图9 在LabVIEW中的混合运动 。
轮廓运动
与轮廓，你可以提供一个位置的缓冲区，并通过他们创造一个平稳的路径或样条。 轮廓持有超过交融的优势，因为它保证该系统通过每个位置通过。
图10 等高运动 。
图11说明了一个轮廓移动，使用LabVIEW。 如需轮廓信息，例如NI-Motion驱动软件中发现的Countouring.llb库的例子。
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在LabVIEW等高运动 图11。
电子齿轮
随着电子齿轮，可以模拟的议案，将两个交配齿轮之间出现不使用真正的齿轮。 您可以使用电子齿轮，从动轴和主轴，编码器，ADC通道之间提供一个齿轮比。
图12显示了如何配置一个从动轴跟随主轴线。 为电子齿轮的更多信息，查看NI-Motion驱动软件中发现的Gearing.llb例如库。
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图12。LabVIEW 中的电子杠杆
电机放大器和驱动器 电机放大器或驱动器是系统的一部分，在低电流的模拟电压信号形式的运动控制器的命令，并把它们转换成具有高电流驱动马达的信号。 马达驱动来在许多不同的品种，他们驾驶特定类型电机相匹配。 例如，步进电机驱动器连接到步进电机和伺服电机。 随着配套的电机技术，驱动器必须提供正确的峰值电流，连续电流，电压驱动电机。 如果你的驱动器提供电流过大，你可能会损害您的电机。 如果你的驱动器提供当前太少，您的汽车没有达到满转矩的能力。 如果你的电压过低，电机不能在其全速运行。
你也应该考虑如何连接您的放大器控制器。 一些汽车公司出售，可以轻松地连接到他们所提供的电机驱动器。 NI提供两个两相步进电机和直流有刷伺服电机驱动器。 这些驱动器有螺钉接线端子，可以连接到许多不同的电机。 表1介绍了NI马达驱动器之间的差异。
对于连接到第三方的驱动器和放大器，NI提供了通用运动接口（UMI） - 24 V逻辑数字I / O和D-Sub连接和工业UMI-7774 - 标准与螺丝端子连接UMI-7764 。
汽车和机械要素 选择电机和机械设计，是您的运动控制系统设计的一个重要组成部分。 许多汽车公司在选择合适的电机提供的援助，但它有助于了解电机的一些基础知识，你开始寻找之前。 表1描述了不同的电机技术。
| 赞成 | 缺点 | 应用 | | 步进电机 | 价格低廉，可以运行开环，良好的低端扭矩，洁净室 | 噪音和共振，穷人高速扭矩，不热的环境中，而不是变载荷 | 定位，微动 | | 直流有刷伺服电机 | 价格低廉，速度适中，良好的高端扭矩，简单的驱动器 | 需要维护，没有干净的房间，刷火花原因EMI和爆炸性环境危险 | 速度控制，位置控制高速 | | 无刷伺服电机 | 免维护，寿命长，无火花，高速度，干净的房间，安静，跑酷 | 昂贵和复杂的驱动器 | 机器人，挑选和地方，高转矩的应用 |
表1。NI 马达驱动器 确定要使用这种技术，你后，你需要确定在电机轴的扭矩和惯性。 对于系统的转矩计算的更多信息，在zone.读电机原理的文章。
别的选择您的汽车和其他机械时要考虑的是一个现成的，现成的驱动器（如一个阶段）是否可能为您的应用程序。 阶段提供了动力传输，以获得有用的旋转或直线运动，没有自己设计。 在 /运动/顾问，你可以找到许多NI联盟伙伴提供了在第一阶段顾问的阶段。
反馈装置和运动的I / O 反馈装置
反馈装置运动控制器知道汽车的位置。 最常见的位置反馈装置是正交编码器，从而使起点的相对位置。 大多数运动控制器的设计工作，与这些类型的编码器。 其他反馈装置，包括电位器，使模拟位置反馈，转速表，提供速度反馈，绝对位置测量的绝对编码器，解析器也绝对位置测量。 当使用NI运动控制器，您可以使用正交编码器和电位器。
运动I / O
其他I / O，重要的是在运动控制包括限位开关，家用开关，位置触发器，位置捕获输入。 限位开关提供有关旅游信息，以帮助您避免损坏您的系统。 运动系统当碰到限位开关，它通常会停止移动。 另一方面，家用开关，显示系统的位置，来帮助你定义一个参考点。 这是很重要的，如挑选和应用。
图13。 极限运动控制系统和开关首页
与其他设备集成时，如位置触发输出或位置捕获输入触发器帮助。 与位置触发输出（也称为断点位置比较），你可以设立一个触发器，在规定的位置上执行。 这种类型的行动是有益的，如扫描，在那里你可能要触发系统采取一系列指定的位置进行测量操作。 位置捕获输入，另一方面，导致运动控制器立即捕捉事件发生的位置，并存储在内存中。 这是有用的，如果你有一个外部触发和想知道的位置，在它发生在你的系统。
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