隨著IＴ產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展来涨，工廠內(nèi)設(shè)備的自動(dòng)化也全面進(jìn)入了要以網(wǎng)絡(luò)來(lái)聯(lián)機(jī)的時(shí)代晒夹，這也使得"ＰC Based"的控制器在工廠設(shè)備中被運(yùn)用的比例也愈來(lái)愈高佳镜，在圖一中所展現(xiàn)的是一個(gè)開(kāi)放式架構(gòu) (Open Architecture) 工廠自動(dòng)化 (Factory Automation) 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)僚稿，包含了硬件及各式的通訊協(xié)議。 
 
        在硬件方面可以看出走向串行式是一個(gè)共通的趨勢(shì)蟀伸，因?yàn)榇惺酵ㄓ嵄旧砭陀小妇S修容易」蚀同、「簡(jiǎn)省成本」、「遠(yuǎn)程控制」等的特點(diǎn)啊掏。但其不方便的地方就是在于很難找出一種通用于所有組件及設(shè)備之間的通訊協(xié)議唤崭。舉例來(lái)說(shuō)，串行式影像的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議：Camera Link 和串行式運(yùn)動(dòng)控制的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議：SERCOS就是完全不同的語(yǔ)言。彼此并不能共享一條線而彼此溝通谢肾。

        本文將著重在探討串行式運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)漩叶。在近年來(lái)，由于半導(dǎo)體制造設(shè)備等相關(guān)的電子制造設(shè)備市場(chǎng)大幅成長(zhǎng)芬赢，而使得機(jī)器設(shè)備上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)了以下數(shù)點(diǎn)的技術(shù)需求：

1. 多軸運(yùn)動(dòng)控制
        機(jī)器設(shè)備因自動(dòng)化程度提高而使得單一機(jī)器上所需要的軸數(shù)增多狞朦，一臺(tái)設(shè)備上十幾軸是常見(jiàn)的事情。在軸數(shù)變多后眷幢，如何協(xié)調(diào)各軸動(dòng)作就是一個(gè)重要的課題澎矗。

2. 體積要小
        由于廠房空間的限制，機(jī)器的體積要越小越好酒舶，機(jī)器內(nèi)控制器的體積也就被要求愈來(lái)愈小标晤，相對(duì)地走線空間也愈來(lái)愈少。

3. 要更精準(zhǔn)
        隨著半導(dǎo)體制程已經(jīng)精密到100nm以下宇赁，在制程及檢測(cè)相關(guān)設(shè)備所要求的運(yùn)動(dòng)精度也要更精確蕴轩，其它如ＬＣＤ設(shè)備、ＳＭＤ制程設(shè)備也有相同要求凳嘁。

4. 要更穩(wěn)定
        因?yàn)樵O(shè)備的投資經(jīng)費(fèi)龐大搁突，系統(tǒng)停機(jī)的成本就更顯的突出，因此所有機(jī)器設(shè)備制造商都必須追求系統(tǒng)的穩(wěn)定性只磷。同時(shí)也必須考慮在組件損壞須要維修時(shí)经磅，必須能快速替換且不出差錯(cuò)。

        然而钮追，綜合以上幾點(diǎn)的需求分析可以看到预厌，既要在一個(gè)控制器內(nèi)進(jìn)行多軸運(yùn)動(dòng)控制，又要控制器的體積更小元媚，配線的維修要更容易配乓，這些條件看來(lái)是相沖突的』莼伲可以這樣說(shuō)犹芹，「串行式運(yùn)動(dòng)控制」技術(shù)便是因應(yīng)這些新時(shí)式機(jī)器設(shè)備的需求而產(chǎn)生的。以下各節(jié)將深入介紹此技術(shù)之內(nèi)涵鞠绰。

傳統(tǒng)ＡＣ伺服定位系統(tǒng)

        圖二所示是一個(gè)傳統(tǒng)「模擬式ＡＣ伺服定位系統(tǒng)」的方塊圖腰埂，驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)層回路是一個(gè)相量控制的電流死循環(huán)系統(tǒng)以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，外圈是轉(zhuǎn)速死循環(huán)控制蜈膨。運(yùn)動(dòng)控制卡讀回 Ｅncoder位置來(lái)作定位死循環(huán)控制屿笼。通常控制卡會(huì)利用ＤＡ輸出電壓到驅(qū)動(dòng)器當(dāng)成轉(zhuǎn)速指令强剥。

        圖三所示為改良后的「脈沖式ＡＣ伺服定位系統(tǒng)」担擦，因?yàn)樗欧?qū)動(dòng)器的進(jìn)步而將定位死循環(huán)控制移入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)執(zhí)行例杰。運(yùn)動(dòng)控制卡輸出脈沖指令來(lái)同時(shí)控制馬達(dá)的位置及轉(zhuǎn)速，同時(shí)讀回Encodcr 位置以作定位修正之用雕残。

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    不論是傳統(tǒng)或是改良式的控制架構(gòu)都一定會(huì)遇到下列的瓶頸：

1. 配線太多侥丝。每軸至少需要１２個(gè)訊號(hào)以作為反饋，指令及其它I/O點(diǎn)控制用途榛湖。

2. 分辨率的限制贬打。在模擬式驅(qū)動(dòng)器的架構(gòu)里，須要藉AD/DA轉(zhuǎn)換來(lái)傳送指令巫邻，以一個(gè)16bit分辨率的ＡＤ為例猫荤，其保證分辨率為14bit。必須對(duì)應(yīng)到最大正負(fù)轉(zhuǎn)速,例如：＋／－4500rpm溺察，則每一位所代表的分辨率為9000rpm/2^14＝0.55rpm瞭芬。這樣的分辨率沒(méi)有辦法對(duì)應(yīng)到目前高性能驅(qū)動(dòng)器所要求的控速比，在許多的高精度加工場(chǎng)合是不足的矫评。

        而在脈沖式驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)里卜壕，分辨率則是被脈沖的最大傳輸速度限制住了，此點(diǎn)在后面章節(jié)還會(huì)解釋低矮。

3. 偏移誤差（Offset）及噪聲印叁。只要是模擬訊號(hào)必定會(huì)有所謂偏移誤差的問(wèn)題被冒，造成傳送指令的位準(zhǔn)誤差军掂，此問(wèn)題在零轉(zhuǎn)速附近會(huì)特別明顯，必須靠校正來(lái)補(bǔ)償昨悼，另外在高壓大電流的ＡＣ伺服系統(tǒng)必須特別注意噪聲帶來(lái)的干擾蝗锥，否則也很容易引起脈沖指令誤差。

4. 缺乏自我檢測(cè)功能率触。這兩類(lèi)驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)都很難令外界控制器讀取或?qū)崟r(shí)調(diào)整伺服參數(shù),伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的參數(shù)多達(dá)百種,沒(méi)有辦法藉由傳統(tǒng)配線方式就讀取這些參數(shù)终议，如此就沒(méi)有辦法在控制器上完全掌握這些參數(shù)，也就沒(méi)有辦法進(jìn)行自我檢測(cè)及調(diào)試葱蝗。

各式串行式運(yùn)動(dòng)控制通訊協(xié)議

        隨著串行式通訊科技的日新月異穴张，如：Ethernet，運(yùn)用串行式通訊來(lái)解決傳統(tǒng)服務(wù)器驅(qū)動(dòng)問(wèn)題也有很大的進(jìn)展两曼，就如第一節(jié)中所述皂甘，串行式系統(tǒng)的不便之處在于沒(méi)有共同遵守的通訊標(biāo)準(zhǔn)，就連在單項(xiàng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)目前也沒(méi)有大家遵守的標(biāo)準(zhǔn)瞳胸，不論是在硬件或通訊協(xié)議哪峰。雖然沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，但是技術(shù)內(nèi)涵的需求都是一樣的：

1. 要能在固定周期內(nèi)實(shí)時(shí)地傳輸控制指令节拷，
2. 此周期是快速到約0.1ms~5ms之間守搬，
3. 非周期性地收集外圍所有I/O資料些惑，
4. 選擇性地、非周期地傳收伺服參數(shù)數(shù)據(jù)杰趾，
5. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上要含數(shù)據(jù)正確性編碼鲸锻，以防在噪聲干擾時(shí)作數(shù)據(jù)修正。

        圖四所示是市面上可以看到的各式串行式運(yùn)動(dòng)控制通訊協(xié)議的一覽表,及其主要支持的廠商瘫啦。硬件傳輸媒介主要有：RS485艰捶、IEEE1394、光纖及Ethernet四種澳踱，通訊協(xié)議方面目前還是百家爭(zhēng)鳴伤主，雖然SERCOS (IEC 61491)是僅見(jiàn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但是日本癣彩、美國(guó)伺服大廠仍是定義自己的通訊協(xié)議玫氢。很難下定結(jié)論那一個(gè)通訊協(xié)議就是最好的通訊協(xié)議。傳輸速度愈快谜诫，當(dāng)然伺服控制周期時(shí)間可以更短漾峡，而使得頻寬增加，可控制軸數(shù)變多喻旷，但畢竟這還不是決定性的因素生逸。在應(yīng)用層面還是要從系統(tǒng)規(guī)格往下看，根據(jù)性能／價(jià)格比來(lái)找到最好組合的運(yùn)動(dòng)控制卡＋伺服（步進(jìn)）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)發(fā)展應(yīng)用且预。

        下節(jié)我們將以日本伺服大廠：三菱電機(jī)所開(kāi)發(fā)的串行式伺服技術(shù)：SSCNET為例槽袄，更深入地探討此技術(shù)為運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)帶來(lái)如何的進(jìn)步。

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SSCNET串行式伺服技術(shù)

        日本三菱電機(jī)自從九十年代初期開(kāi)始開(kāi)發(fā)SSCNET（Servo System Control Network）技術(shù)锋谐，到目前已經(jīng)是等二代SSCNTⅡ遍尺，在市場(chǎng)上已經(jīng)有超過(guò)一百萬(wàn)軸伺服馬達(dá)應(yīng)用SSCNET的成功實(shí)績(jī)，可以說(shuō)是串行式伺服的成功案例涮拗。在三菱電機(jī)所有類(lèi)型伺服的出貨比例也逐年提高乾戏。SSCNET的傳輸媒介是類(lèi)似ＲＳ４８５技術(shù)，傳輸距離最長(zhǎng)可達(dá)30ｍ三热，傳輸速度為5.625Mbps鼓择，控制用的通信周期為0.888ms〕褐觯控制方式采主從式架構(gòu)的讯，控制卡上一顆主控ＩＣ(Master Controller)可以控制六顆Slave的伺服馬達(dá)，所以最多可控軸數(shù)端看控制卡上能放多少 Master Controller伊了，可控軸數(shù)為 6*N軸误反。各顆主控 IC之間還可以作同步，使得被控伺服軸得以同步栅刚。目前主控ＩＣ是由三菱電機(jī)獨(dú)家提供奠钾。

        在通信協(xié)議方面可以參考圖五嘉栽，主控ＩＣ與受控伺服驅(qū)動(dòng)器之間數(shù)據(jù)傳送的順序如下：

1. 主控ＩＣ與伺服驅(qū)動(dòng)器的通信時(shí)脈同步后，控制器側(cè)產(chǎn)生第一個(gè)絕對(duì)位置指令并寫(xiě)入主控ＩＣ浮两。
2. 在第二個(gè)時(shí)脈時(shí)损螃，由主控IC透過(guò)傳輸線將指令廣播出去,各伺服驅(qū)動(dòng)器各自接收自己的位置指令。
3. 在第三時(shí)脈時(shí)俩食，各伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)位置指令而執(zhí)行死循環(huán)定位控制筹聂。

        除了固定周期的位置指令外，還可以不定期地讀寫(xiě)各伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)參數(shù)菊碟。

        綜觀SSCNET技術(shù)节芥，我們可以整理出它帶給運(yùn)動(dòng)控制使用者下列的好處：

1. 減少體積、節(jié)省配線
傳統(tǒng)一張運(yùn)動(dòng)控制卡約可以出線控制４～６軸逆害，目前一張SSCNET控制卡便可到１２軸头镊。配線便大幅減少且變得容易很多，并使得配線人工成本及配線錯(cuò)誤造成的損壞降到最低魄幕。

2. 高速高分辨率伺服控制之實(shí)現(xiàn)
由圖六所示可以看到隨著編碼器技術(shù)的進(jìn)步相艇，也使得服務(wù)器的頻寬進(jìn)步到550Hz。這對(duì)機(jī)器帶來(lái)的效益就是加工速度大幅提高纯陨，因?yàn)樗沟玫轿缓蠓€(wěn)定時(shí)間(Settling time)降低了坛芽。目前大多數(shù)是編碼器分辨率多在17位131,072pulse/rev∫砜伲可是要發(fā)揮這些編編器所能達(dá)到的定位分辨率咙轩，在3000rpm時(shí)脈波式控制器就必須送出約 6.5MHz 的脈波。這已經(jīng)到達(dá)脈波傳輸線的極限机久。但是透過(guò)SSCNET在每個(gè)時(shí)脈傳送３２位的絕對(duì)位置指令臭墨，便很容易地達(dá)到１７位的定位分辨率赔嚎。

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3. 絕對(duì)同步之實(shí)現(xiàn)
由圖七所示可以看到犯绪，在傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)在各軸之間，由于脈波命令傳送的時(shí)間誤差（約0.5ms）造成各軸真正在執(zhí)行位置命令時(shí)時(shí)間也有誤差珠技，如此在多軸補(bǔ)間動(dòng)作時(shí)便會(huì)有些許的時(shí)間誤差而造成補(bǔ)間曲線的不完美骑失，而透過(guò)SSCNET就可以輕易地達(dá)到每一軸完全地同步動(dòng)作。

4. 控制器上管理所有伺服軸參數(shù)
        透過(guò)SSCNET各伺服軸的參數(shù)可以統(tǒng)一在控制器上作調(diào)整及讀取嘲本，如此可把伺服調(diào)機(jī)與真正機(jī)臺(tái)控制結(jié)合在同一個(gè)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)荞扒。

5. 絕對(duì)位置系統(tǒng)之建構(gòu)
         透過(guò)SSCNET控制器上讀到的是３２位的絕對(duì)位置，不像脈沖式伺服只能得到增量式位置灌饵。讀到絕對(duì)位置能方便在緊急狀況 (ALARM)造成系統(tǒng)停機(jī)又重開(kāi)后窟蝌，不必再執(zhí)行回原點(diǎn)的動(dòng)作。

6. 可靠度之提高
        在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸時(shí)粹龄，藉由HDLC所擁有的CRC Error Check功能锉潜，通信品質(zhì)的信賴度就大幅提高材圈，不會(huì)像傳統(tǒng)式伺服易受噪聲干擾。

PC Based SSCNET解決方案

        圖八所示是一個(gè)PC Based 的SSCNET控制系統(tǒng)示意圖摹色。Host PC透過(guò)PCI Bus 向卡上的DSP下各軸的位置三稿，速度曲線命令。DSP運(yùn)算成為各軸的位置命令后在各周期下命令到伺服驅(qū)動(dòng)器沛慢。借著運(yùn)算功能強(qiáng)大的DSP赡若，各式復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)能都可以達(dá)成。如多軸插補(bǔ)团甲、連續(xù)運(yùn)動(dòng)逾冬、運(yùn)動(dòng)間改變速度或端點(diǎn)位置等。為了達(dá)到真正的「位置死循環(huán)控制」躺苦，卡上還可以接受外部增量式編碼器的反饋粉渠，而后輸出SSCNET命令。如此可以克服機(jī)械傳動(dòng)組件所造成的定位誤差圾另。

        在軟件的開(kāi)發(fā)方面,隨著控制卡也附有 Win32的函數(shù)庫(kù)在各種不同操作系統(tǒng)上霸株，一個(gè)Motion Creator的調(diào)試軟件可會(huì)跟隨在軟件上。從圖九可以看到在SSCNET的Motion Creator軟件上集乔，可以使伺服參數(shù)調(diào)整去件，到試機(jī)調(diào)校在同一平臺(tái)下完成，大幅減少了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證的時(shí)間扰路。

實(shí)際應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展

        本節(jié)舉一實(shí)例來(lái)說(shuō)明SSCNET在實(shí)用上的好處尤溜。圖十所示為一個(gè)雙軸的傳送機(jī)構(gòu)， 由兩個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)滾珠螺桿來(lái)作傳動(dòng)聘银。在此系統(tǒng)中篇惧， 兩個(gè)軸的位置必須完全同步，否則就會(huì)在兩個(gè)滾珠螺桿上出現(xiàn)剪應(yīng)力替独。 圖十的左下圖所示是傳統(tǒng)伺服的應(yīng)用方式蔫婉。 第一軸作位置控制，同時(shí)第一軸輸出電流指令來(lái)下到第二軸來(lái)作扭力控制衬蚤。如此就可以使第二軸跟隨第一軸同動(dòng)孕赫。可是指令的時(shí)間差還是會(huì)造成無(wú)法完全同動(dòng)砌纸。右下圖是利用SSCNET的雙軸同動(dòng)玉惫。可以看到在控制方式及配在線都精簡(jiǎn)很多民议。目前此應(yīng)用已出現(xiàn)在搬運(yùn)第五代TFT基板的Robot系統(tǒng)上计灌。

        未來(lái)SSCNET的發(fā)展還會(huì)朝著傳輸速度更快，傳輸距離更長(zhǎng)來(lái)前進(jìn)迂腔。對(duì)于客戶帶來(lái)的則是更高速更精準(zhǔn)的自動(dòng)化控制愿景钟牛。

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