機器人(rén)與控制器的(de)關聯

機器人(rén)控制的(de)一(yī / yì ／yí)些零碎概念，包括控制器、驅動器、運動控制器、PLC、單片機等，習慣了(le／liǎo)從理論和(hé / huò)算法上(shàng)談控制，當回到(dào)硬件上(shàng)時(shí)多少對這(zhè)些概念有些模糊，甚至會混爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)談。控制系統是(shì)機器人(rén)的(de)大(dà)腦，是(shì)工業機器人(rén)的(de)核心零部件，本文将從硬件的(de)角度将對控制器進行概述。

1 控制

（1）第一(yī / yì ／yí)代控制

在(zài)最早的(de)時(shí)候，控制器是(shì)由機械結構爲(wéi / wèi)控制手段的(de)，以(yǐ)基地(dì / de)式儀表、水庫水位測量等爲(wéi / wèi)代表，如圖1，如果實際轉速降低到(dào)期望值以(yǐ)下，調速器的(de)離心力下降，控制閥會上(shàng)升，進入蒸汽量增加，蒸汽機轉速随之(zhī)增大(dà)，達到(dào)控制轉速的(de)目的(de)。

圖1 蒸汽速度控制系統

在(zài)機器人(rén)方面，有我國(guó)著名的(de)木牛流馬、水轉百戲木偶、魯班鳥等純機械控制的(de)機器人(rén)，采用人(rén)力、水力、風力爲(wéi / wèi)動力進行自動結構，以(yǐ)及一(yī / yì ／yí)些靠彈簧發條、重力作爲(wéi / wèi)驅動力的(de)随動傳動機器人(rén)，在(zài)當今控制領域亦不(bù)失爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)種精妙的(de)控制手段。

圖2 木牛流馬機構動圖

圖3 依靠推力前行的(de)足式設計

（2）第二代控制

随着繼電器控制技術和(hé / huò)調節器爲(wéi / wèi)代表，發展出(chū)了(le／liǎo)模拟控制技術，此時(shí)執行機構以(yǐ)電氣元件、氣動元件、液壓元件等爲(wéi / wèi)主要(yào / yāo)機構，控制依靠繼電器與主開關進行控制，如圖4。

圖4 繼電器控制

可編程邏輯控制器PLC是(shì)基于(yú)繼電器的(de)基礎上(shàng)發展起來(lái)的(de)，并迅速簡化了(le／liǎo)電氣連接，并豐富了(le／liǎo)控制手段。

如圖5，EPSON六軸機器人(rén)是(shì)由PLC邏輯控制不(bù)同關節的(de)轉角，以(yǐ)滿足一(yī / yì ／yí)定的(de)動作時(shí)序。

圖5 EPSON六軸機器人(rén)

（3）第三代控制

20世紀70年代後，随着計算機的(de)發展，采用單一(yī / yì ／yí)計算機控制整個(gè)工業系統即直接數字控制是(shì)第三代控制系統，主要(yào / yāo)技術代表包括用于(yú)流程工業的(de)集散控制系統、用于(yú)離散工業的(de)可編程控制器、現場總線控制系統等。

此時(shí)，控制器的(de)種類開始層出(chū)不(bù)窮，目前控制器有三種主要(yào / yāo)的(de)控制方式：PLC控制、專用控制、PC-Based控制等，其特點如表1.

表1 不(bù)同控制方式及特點

在(zài)第三代控制發展下，控制領域擴大(dà)到(dào)運動控制、過程控制、開關量邏輯控制等，其中運動控制最常應用，并植入複雜算法以(yǐ)滿足更智能更精準的(de)功能需求。國(guó)産控制器是(shì)與國(guó)外産品相比，可控制的(de)機器人(rén)類型齊全，主要(yào / yāo)差距在(zài)于(yú)操作精度和(hé / huò)穩定性。

2 控制器

（1）伺服系統 與 控制系統的(de)關系

伺服系統是(shì)系統終端執行結構根據控制控制指令實現包括位移、轉速和(hé / huò)力矩等唯獨動作的(de)設備總成，包括控制器、伺服驅動器、伺服電機、編碼器等組成，決定了(le／liǎo)自動化機械的(de)精度、控制速度和(hé / huò)穩定性。

可分爲(wéi / wèi)液壓、啓動和(hé / huò)電氣三類，目前廣泛使用的(de)是(shì)電氣伺服系統，其中交流同步伺服已成爲(wéi / wèi)高精度伺服系統的(de)主流。

伺服系統是(shì)一(yī / yì ／yí)種反饋控制系統，屬于(yú)控制系統中的(de)一(yī / yì ／yí)種。

（2）運動控制器、控制器與驅動器

運動控制器是(shì)控制電動機運行方式的(de)控制器，屬于(yú)三類控制器中的(de)專用控制器，比如電動機在(zài)由行程開關控制交流接觸器而(ér)實現電動機拖動物體向上(shàng)運行達到(dào)指定位置後又向下運行，或者用時(shí)間繼電器控制電動機正反轉或轉一(yī / yì ／yí)會停一(yī / yì ／yí)會再轉一(yī / yì ／yí)會再停。

運動控制主要(yào / yāo)涉及步進電機、伺服電機的(de)控制，控制結構模式一(yī / yì ／yí)般是(shì)：控制裝置+驅動器+（步進或伺服）電機。

控制裝置可以(yǐ)是(shì)PLC系統，也(yě)可以(yǐ)是(shì)專用的(de)自動化裝置（如運動控制器、運動控制卡）。

電機驅動器是(shì)用來(lái)控制和(hé / huò)給電機供電的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)器件，其包括電機控制闆和(hé / huò)電機驅動闆兩個(gè)部分（均在(zài)驅動器内部）。

電機控制闆上(shàng)面包括主控芯片，pwm輸出(chū)電路，濾波電路，加密芯片等部分，電機驅動闆部分包括逆變器部分（即ipm或者igbt和(hé / huò)二極管的(de)組合），電源轉換部分（包括整流部分，電源保護部分，放電部分等），電流采樣部分（數字采樣芯片或者電阻采樣等方式），通信部分等等。

所以(yǐ)，三者關系即運動控制器屬于(yú)控制器中的(de)專用控制器一(yī / yì ／yí)類，用于(yú)控制執行機構的(de)運動，當執行機構是(shì)電機時(shí)，需要(yào / yāo)在(zài)運動控制器與電機之(zhī)間使用驅動器。

（3）單片機、嵌入式控制器、PLC與運動控制卡

單片機一(yī / yì ／yí)般用于(yú)電子(zǐ)電路的(de)控制器，一(yī / yì ／yí)般用于(yú)控制電路闆上(shàng)的(de)元件，是(shì)一(yī / yì ／yí)種芯片，不(bù)能單獨使用；

而(ér)PLC、嵌入式控制器是(shì)由單片機、微控制器組成的(de)通用控制器，可以(yǐ)直接使用；

運動控制卡則需要(yào / yāo)基于(yú)PC運行，屬于(yú)PC-based控制器。

（4）Ardunio、arm、單片機、樹莓派

都用于(yú)嵌入式開發，但ARM是(shì)一(yī / yì ／yí)種處理器架構，而(ér)單片機是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)包含了(le／liǎo)CPU内存ROM等的(de)芯片，Arduino和(hé / huò)樹莓派相當于(yú)老年機與智能機的(de)開發平台/闆，對比如表2

表2 嵌入式開發硬件架構