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用程序控制建构最佳制程
即时、精准、效率

【作者: 王明德】2015年10月30日 星期五

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现在的消费性产品愈来愈精细,其制程技术也愈来愈精细、繁复,与以往相比,运动控制设备也有了极大差异,现在的制程设备讲究高速、多轴、高精度,因此对于程序控制与绝对同步有相当高的要求。


从技术来作区隔,运动控制可分为PLC Based与PC Based两种架构,其中PLC Based仍占多数市场,PC Based目前虽仍处于下风,不过由于具有高相容特性,往后发展值得期待,目前已有多家厂商设计出PC Based运动控制卡,提供完整解决方案,在高相容优势下,这些PC Based运动控制卡的整合性相当高,例如这几年技术也快速成熟的机器视觉,在与2的附加效應。"运动控制整合后,产生了1+12的附加效应。


运动控制轨迹需求

就目前来看,运动控制的轨迹控制需求,大约有几项,第一是点对点的控制(Peer to Peer),这是最基础的轨迹控制,只要利用运动控制卡控制单轴在两点间的运动。第二种是补间运动,补间运动至少需由两轴构成,形成一个多维或二维的运动轨迹,通常补间运动可以用于连续轨迹的运动控制,例如雕刻或是鞋模等等。补间运动的解析决定了轨迹运动的控制精度。第三种是多轴的同步运动,也就是控制两个以上的运动轴做同时运动或同时停止。


同步运动控制进一步可以延伸出程序控制,透过运动控制卡的绝对同步性,使多轴的运动依照一定的时间顺序准确控制,也通过条件设定使得轴与轴之间可以依据相互关系而运动,通常这种方式的控制必须采用串列式的运动控制器才能达成,由于串列式控制器与马达驱动器有特定的通讯协议,彼此之间可以依据运作的时钟,来实现绝对运动的控制。


程序控制技术有需求者,多为对即时性需求较大的产业,一般的无同步机制的控制卡,各轴之间的控制各为独立关系。若要进行多轴互动,这种控制卡的精确度将会不足,必须使用串列式运动控制技术,让各轴有依通讯协定依序动作,才能作到程序运动控制。


除串列式控制技术外,DSP的加入,则可让使用者有更多的弹性加入到程序控制的流程。可程式化的优点让使用者不需要通过作业系统的非即时性而造成指令延迟,可以充分利用串列式控制的即时性,而达到多轴同步控制的应用。


程序控制技术一览

在程序控制中,用户可以自由选择各轴间的同步关系,例如决定了主轴运动之后,从轴可以依据主轴的位置、运动速度、或是外部的数位信号作为同步触发信号,也可以实现动态位置补偿的功能,使得主从轴可以在时间上完美搭配。程序控制的控制权在DSP上​​,所以可以大幅减少CPU的系统负担,减少通过作业系统传递运动指令所造成的时间延迟,增进往复性的控制效能。目前运动控制有几种作法,以下从几种作法来看这些技术在程序运动控制方面的状况。


首先是ASIC(特殊应用IC),ASIC-based的运动控制一般适合用于步进马达、线性马达及伺服马达等非同步运动轨迹控制。 ASIC是指针对单一应用而设计的积体电路,部份控制器会采用特殊设计的运动功能IC,进行各种运动控制,由于ASIC经晶片开发厂商经过一连串测试与市场洗炼,因此稳定度与功能的验证度高,整体的指令集执行速度快。不过ASIC缺乏可程式化能力,所以并没有扩充能力,也无法实现绝对同步的运动控制。


第二种是DSP-based,DSP(Digital Signal Processor;数位讯号处理器),将程序做即时处理,像是音响效果与杂音去除之资料处理与控制,对依序输入的数位讯号,都会要求即时处理。



图1 : 运动控制不但讲究即时​​与精准,同时对于动作之间的往返周期,也必须尽可能缩短。 (Source:3DP)
图1 : 运动控制不但讲究即时​​与精准,同时对于动作之间的往返周期,也必须尽可能缩短。 (Source:3DP)

由于DSP具有即时运算的功能,而近年来伺服控制也开始出现即时性的需求。在精准时间控制的要求下,一般都采用速度较快的DSP,也有采用RISC或是一般CPU来完成的。使用高速的DSP通常会搭配高速记忆体,而采用DSP的运动控制卡,由于具有可程式化的能力,所以一般使用者可以下载部分程序控制码在DSP内部执行,这样的优点在于整个控制程式享有即时性的特点。


第三是串列控制技术,一般而言,串列式控制具有自己的通讯协定,使得控制器与被控制端可以依通信协定进行资料交换,以作为运动控制或是取得相关伺服资讯回到控制器端,其通讯也会依固定时间做资料交换及更新动作,也就是会依据即时性的特性来运作。


即时与精细度的需求

上述三种技术,都可用来作程序运动控制,不过在复杂的机构系统与控制中,机构与时间的配合十分重要,能否达到可容许值的时间差,甚或无延迟动作连结,端视设计功力。例如在一台手机制造自动化设备中,机器手臂要将晶片拿起,这样一个简单动作,就必须应用多轴的同步与程序控制,先是顶针必须对准晶片,然后在与机器手臂同步的时间内将晶片顶起以利于吸头的抓取,这简单的两个动作,必须依赖运动控制卡的程式运动控制技术才能完成。


而这连串的动作,必须通过PC将使用者的运动控制指令传达到运动控制卡上,传递过程中若是作业系统的时间延迟无法即时,多轴之间的同步性将会被破坏,造成错误动作。因此,程式运动控制中,使用者要进行同步运动控制,必须先编好程式码后,将之下载到DSP中做运算,DSP会依据串列式运动的资料更新周期时间,完成程序控制。



图2 : 同步运动控制进一步可以延伸出程序控制,透过运动控制卡的绝对同步性,使多轴的运动依照一定的时间顺序准确控制。 (Source:Images)
图2 : 同步运动控制进一步可以延伸出程序控制,透过运动控制卡的绝对同步性,使多轴的运动依照一定的时间顺序准确控制。 (Source:Images)

现在各种产品精细度要求愈来愈高,对制程要求也愈来愈严苛,而运动控制不但讲究即时​​与精准,同时对于动作之间的往返周期,也必须尽可能缩短。简单来说,就是整体运动控制路径,必须达到最佳化;要达到最佳化,就得整合各种相关技术。如通讯技术,这样的整合被视为难度最高的控制技术,目前台湾多数厂商的技术水准已能追上国际大厂,未来发展值得期待。


**刊头来源:(Source: Prodrive-Technologies)


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