前言
---在大多數(shù)制造業(yè)的生產(chǎn)流程中,運動控制占有非常重要的地位。很多的機器和設(shè)備,包含半導(dǎo)體或光電產(chǎn)業(yè)設(shè)備,或是傳統(tǒng)機械行業(yè)的車床、銑床和CNC整合加工機具等,都包含運動控制的模塊。
---由于PC采取開放式架構(gòu)并具有價格上的優(yōu)勢,一些專業(yè)領(lǐng)域的專家開發(fā)了很多能在PC上應(yīng)用的控制卡,希望能為PC用戶提供解決方案。而近年來,由于影像視覺的辨識技術(shù)逐漸成熟,運動視覺解決方案對搭配運動控制技術(shù)的需求也越來越明顯。這些技術(shù)的進步促使整個工業(yè)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用層面更為豐富。更多的設(shè)備開發(fā)商可以選擇使用開放架構(gòu)的PC和操作系統(tǒng)作為控制平臺,因此更多的核心開發(fā)技術(shù)可以掌握在開發(fā)者手中,再加上價格優(yōu)于其他解決方案,PC-based運動控制解決方案有很強的競爭優(yōu)勢。
---在運動控制方面,大致可以歸納出以下幾項運動所需要的控制軌跡。
---● 點對點運動(Point-to-Point)：單軸的運用,通過運動控制卡的指令集,控制單軸由A點運動到B點,所以又稱為點對點運動。
---● 補間運動(Interpolation)：補間運動通常可以分為線性補間和圓弧補間運動。線性補間運動通常由兩軸以上構(gòu)成,而圓弧補間運動則由兩軸構(gòu)成,形成多維或二維的運動軌跡。通常補間運動可以用于連續(xù)軌跡的運動控制,例如雕刻或是鞋模等。補間運動的解析決定了軌跡運動的控制精度。
---● 螺線型運動：由二維的圓弧運動和垂直軸的線性運動組合而成,多用于工具機。
---● 多軸同時運動或是同時停止：控制兩個以上的運動軸做點對點的同時運動,或是同時停止。
 ---● 同步運動控制：通過運動控制卡的絕對同步性,可以使多軸的運動依照一定的時間順序準確控制,也可以通過條件設(shè)定使得軸與軸之間可以依據(jù)相互關(guān)系而運動。通常這種方式的控制必須采用串行式的運動控制器才能完成,因為串行式控制器與馬達驅(qū)動器有特定的通信協(xié)議,所以彼此之間可以依據(jù)運作的時鐘來實現(xiàn)絕對運動的控制,如圖1所示。
---本文將與讀者分享的就是由同步運動發(fā)展而來的程序運動控制的技術(shù)。 現(xiàn)有的運動控制核心技術(shù)
1 ASIC-Based
---ASIC（Application Specific Integrated Circuit）即特殊用途集成電路或?qū)Ｓ眉呻娐贰ＴS多運動控制器會采用具有運動功能的ASIC來達到低端或是高端的運動控制。通常ASIC已經(jīng)由芯片開發(fā)廠商經(jīng)過一連串測試與市場洗煉,所以穩(wěn)定度和功能的驗證度高,整體的指令集執(zhí)行速度快。但是由于其缺乏可程序化能力,所以相較于DSP的運動控制卡,無擴充能力,亦無法實現(xiàn)絕對同步的運動控制。ASIC-based的運動控制一般適合用于步進馬達、線性馬達和伺服馬達等異步運動軌跡的控制。
2 DSP-Based
---近年來,由于伺服控制有實時性(Real Time)的需求,在精準時間控制的要求下,一般都采用速度較快的DSP,也有采用RISC或是一般CPU來完成的。使用高速的DSP通常會搭配高速的內(nèi)存。由于采用DSP的運動控制卡具有可程序化的能力,所以一般使用者可以下載部分過程控制碼在DSP內(nèi)部執(zhí)行,使得整個控制程序享有實時性(Real Time)。
 3 串行控制技術(shù)
---伺服馬達的串行控制技術(shù)在市場上也不少見。一般而言,串行式控制具有自己的通訊協(xié)議,使得控制器與被控制端(伺服驅(qū)動器)可以依通信協(xié)議進行資料交換,以作為運動控制或是取得相關(guān)伺服信息回到控制器本端。其通信也會依一個固定時鐘做數(shù)據(jù)交換和更新動作,也就是會依據(jù)實時性的特性來運作。
---筆者將以三菱串行式的控制技術(shù)為基礎(chǔ),來說明程序運動控制技術(shù)。SSCNet是三菱提出的串行式伺服控制,全稱為Servo System Control Network。第二代SSCNetII的實時性(Real Time)特性為0.888ms。 程序運動控制的概念
 ---在復(fù)雜的機構(gòu)與控制中,機構(gòu)與時間的配合十分重要,尤其是多連桿的機構(gòu)。圖2為一個復(fù)雜的運動機構(gòu),在芯片吸取的過程中,頂針也必須在準確且與機器手臂同步的時間內(nèi)將芯片頂起以利于吸頭的抓取,所有的機械動作都要依賴運動控制卡的程序運動控制技術(shù)才能完成。
---若串行式運動控制必須通過PC將用戶的運動控制指令傳達到運動控制卡上,傳遞過程中由于操作系統(tǒng)的時間延遲和非實時性,多軸之間的同步性無法很準確的實現(xiàn)。
---如圖3所示,若不利用程序運動控制技術(shù),那么運動指令在操作系統(tǒng)中傳遞所造成的Time Delay（時間差）,將使其無法進行同步運動控制。因此,程序運動控制的精神在于將用戶需要做到同步運動的控制軸,編成程序代碼后,下載至DSP中做運算,DSP會依據(jù)串行式運動的數(shù)據(jù)更新周期時間完成過程控制,如圖4所示。 
程序運動控制的優(yōu)點
---對于需要實時性(Real Time)控制產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用者,過程控制技術(shù)有以下優(yōu)點。
---● 一般的無同步機制的控制卡,各軸之間的控制為獨立關(guān)系,如果要進行主軸(Master Axis)與從軸(Slave Axis)的應(yīng)用,那些解決方案是無法達到精確控制需求的。唯有利用串行式運動控制技術(shù),彼此間依照通信協(xié)議的固定時鐘,才能依照基本時鐘進行同步控制。
---● 除串行式控制技術(shù)外,DSP的加入,可以讓用戶有更多的彈性加入到過程控制的流程,可程序化的優(yōu)點讓用戶不會因操作系統(tǒng)的非實時性而造成指令延遲。可以充分利用串行式控制的實時性,而達到多軸同步控制的應(yīng)用。
---● 在過程控制中,用戶可以自由選擇各軸間的同步關(guān)系,例如決定了主軸運動之后,從軸可以依據(jù)主軸的位置、運動速度或是外部的數(shù)字信號作為同步觸發(fā)信號,亦可實現(xiàn)動態(tài)位置補償?shù)墓δ?使得主從軸可以在時間上完美搭配。
---● 過程控制的控制權(quán)在DSP上,所以可以大幅減少CPU的系統(tǒng)負擔,減少通過操作系統(tǒng)傳遞運動指令所造成的時間延遲,增進往復(fù)性的控制效能。 結(jié)語
---運動控制的技術(shù)日新月異,不論是ASIC或是DSP為核心的運動控制卡,均有其優(yōu)缺點。在高端應(yīng)用上,控制的實時性要求會是一個新趨勢,串行式的通信技術(shù)加上DSP的運動控制,程序運動控制的技術(shù)將可以讓用戶在精密機械的控制中,提升控制精度與效能,縮短往復(fù)性運動的周期時間,進而增加機器設(shè)備的生產(chǎn)能力。 |
