隨著IＴ產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，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，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，在圖一中所展現(xiàn)的是一個(gè)開放式架構(gòu) (Open Architecture) 工廠自動(dòng)化 (Factory Automation) 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)荤榄，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)磨再，因?yàn)榇惺酵ㄓ嵄旧砭陀小妇S修容易」借倘、「簡(jiǎn)省成本」、「遠(yuǎn)程控制」等的特點(diǎn)莉遥。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)議枣象。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)言灶逃。彼此并不能共享一條線而彼此溝通舶舅。

　　本文將著重在探討串行式運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)。在近年來(lái)鬼胸，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)奸闽，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，一臺(tái)設(shè)備上十幾軸是常見的事情恢筝。在軸數(shù)變多后哀卫，如何協(xié)調(diào)各軸動(dòng)作就是一個(gè)重要的課題。

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

　　3. 要更精準(zhǔn)
       
　　隨著半導(dǎo)體制程已經(jīng)精密到100nm以下带斑，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，其它如ＬＣＤ設(shè)備勋拟、ＳＭＤ制程設(shè)備也有相同要求。

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

　　然而赶站，綜合以上幾點(diǎn)的需求分析可以看到，既要在一個(gè)控制器內(nèi)進(jìn)行多軸運(yùn)動(dòng)控制鲫础，又要控制器的體積更小惕秧，配線的維修要更容易，這些條件看來(lái)是相沖突的嫉卵〉撵牛可以這樣說(shuō)，「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)生的移卢。以下各節(jié)將深入介紹此技術(shù)之內(nèi)涵蜕裳。

　　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，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)矩涩凑，外圈是轉(zhuǎn)速死循環(huán)控制呈锣。運(yùn)動(dòng)控制卡讀回 Ｅncoder位置來(lái)作定位死循環(huán)控制。通骋颂停控制卡會(huì)利用ＤＡ輸出電壓到驅(qū)動(dòng)器當(dāng)成轉(zhuǎn)速指令秒准。

　　圖三所示為改良后的「脈沖式ＡＣ伺服定位系統(tǒng)」，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)行惹虏。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)速憾汛，同時(shí)讀回Encodcr 位置以作定位修正之用。

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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. 配線太多肝陪。每軸至少需要１２個(gè)訊號(hào)以作為反饋驳庭，指令及其它I/O點(diǎn)控制用途。

　　2. 分辨率的限制氯窍。在模擬式驅(qū)動(dòng)器的架構(gòu)里饲常，須要藉AD/DA轉(zhuǎn)換來(lái)傳送指令，以一個(gè)16bit分辨率的ＡＤ為例狼讨，其保證分辨率為14bit贝淤。必須對(duì)應(yīng)到最大正負(fù)轉(zhuǎn)速,例如：＋／－4500rpm，則每一位所代表的分辨率為9000rpm/2^14＝0.55rpm政供。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)器所要求的控速比播聪，在許多的高精度加工場(chǎng)合是不足的。

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

　　3. 偏移誤差（Offset）及噪聲。只要是模擬訊號(hào)必定會(huì)有所謂偏移誤差的問(wèn)題招刨，造成傳送指令的位準(zhǔn)誤差敬挂，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)償匣酸，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)的干擾永韭，否則也很容易引起脈沖指令誤差。

　　4. 缺乏自我檢測(cè)功能卡撤。這兩類驅(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)徊押，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)試企亮。

　　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呢旋，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)展乌诚，就如第一節(jié)中所述炮疲，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)蜒午，不論是在硬件或通訊協(xié)議虎叔。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)地傳輸控制指令截胯，
　　2. 此周期是快速到約0.1ms~5ms之間铺坞，
　　3. 非周期性地收集外圍所有I/O資料，
　　4. 選擇性地洲胖、非周期地傳收伺服參數(shù)數(shù)據(jù)济榨，
　　5. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上要含數(shù)據(jù)正確性編碼，以防在噪聲干擾時(shí)作數(shù)據(jù)修正绿映。

　　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擒滑。硬件傳輸媒介主要有：RS485、IEEE1394叉弦、光纖及Ethernet四種丐一，通訊協(xié)議方面目前還是百家爭(zhēng)鳴，雖然SERCOS (IEC 61491)是僅見的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)淹冰，但是日本库车、美國(guó)伺服大廠仍是定義自己的通訊協(xié)議。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)議樱拴。傳輸速度愈快柠衍，當(dāng)然伺服控制周期時(shí)間可以更短，而使得頻寬增加晶乔，可控制軸數(shù)變多枪岖，但畢竟這還不是決定性的因素居然。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)用讼舰。

　　下節(jié)我們將以日本伺服大廠：三菱電機(jī)所開發(fā)的串行式伺服技術(shù)：SSCNET為例拧淘，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)步疲席。

　　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始開發(fā)SSCNET（Servo System Control Network）技術(shù)沦望，到目前已經(jīng)是等二代SSCNTⅡ，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)台古，可以說(shuō)是串行式伺服的成功案例慨醒。在三菱電機(jī)所有類型伺服的出貨比例也逐年提高。SSCNET的傳輸媒介是類似ＲＳ４８５技術(shù)盲赚，傳輸距離最長(zhǎng)可達(dá)30ｍ阐合，傳輸速度為5.625Mbps，控制用的通信周期為0.888ms膘椿⊥。控制方式采主從式架構(gòu)，控制卡上一顆主控ＩＣ(Master Controller)可以控制六顆Slave的伺服馬達(dá)笙隙，所以最多可控軸數(shù)端看控制卡上能放多少 Master Controller洪灯，可控軸數(shù)為 6*N軸。各顆主控 IC之間還可以作同步竟痰，使得被控伺服軸得以同步签钩。目前主控ＩＣ是由三菱電機(jī)獨(dú)家提供。

　　在通信協(xié)議方面可以參考圖五坏快，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)脈同步后铅檩，控制器側(cè)產(chǎn)生第一個(gè)絕對(duì)位置指令并寫入主控ＩＣ。
　　2. 在第二個(gè)時(shí)脈時(shí)莽鸿，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昧旨。
　　3. 在第三時(shí)脈時(shí)，各伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)位置指令而執(zhí)行死循環(huán)定位控制祥得。

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

　　綜觀SSCNET技術(shù)啃沪，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. 減少體積粘拾、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，目前一張SSCNET控制卡便可到１２軸创千。配線便大幅減少且變得容易很多奥债，并使得配線人工成本及配線錯(cuò)誤造成的損壞降到最低。

　　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)步揖姆，也使得服務(wù)器的頻寬進(jìn)步到550Hz窥俊。這對(duì)機(jī)器帶來(lái)的效益就是加工速度大幅提高援漓，因?yàn)樗沟玫轿缓蠓€(wěn)定時(shí)間(Settling time)降低了。目前大多數(shù)是編碼器分辨率多在17位131,072pulse/rev煮泪”昕担可是要發(fā)揮這些編編器所能達(dá)到的定位分辨率，在3000rpm時(shí)脈波式控制器就必須送出約6.5MHz 的脈波酌非。這已經(jīng)到達(dá)脈波傳輸線的極限胃肖。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，便很容易地達(dá)到１７位的定位分辨率叭静。

　　3. 絕對(duì)同步之實(shí)現(xiàn)

　　由圖七所示可以看到徊激，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)間也有誤差给庶，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)間曲線的不完美贿汞，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)整及讀取耸黑，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)桃煎。

　　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大刊。讀到絕對(duì)位置能方便在緊急狀況 (ALARM)造成系統(tǒng)停機(jī)又重開后为迈，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)奈揍，藉由HDLC所擁有的CRC Error Check功能曲尸，通信品質(zhì)的信賴度就大幅提高，不會(huì)像傳統(tǒng)式伺服易受噪聲干擾男翰。

　　PC Based SSCNET解決方案

　　圖八所示是一個(gè)PC Based 的SSCNET控制系統(tǒng)示意圖另患。Host PC透過(guò)PCI Bus 向卡上的DSP下各軸的位置，速度曲線命令蛾绎。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)器昆箕。借著運(yùn)算功能強(qiáng)大的DSP，各式復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)能都可以達(dá)成租冠。如多軸插補(bǔ)鹏倘、連續(xù)運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)間改變速度或端點(diǎn)位置等电味。為了達(dá)到真正的「位置死循環(huán)控制」气穴，卡上還可以接受外部增量式編碼器的反饋，而后輸出SSCNET命令晌箍。如此可以克服機(jī)械傳動(dòng)組件所造成的定位誤差肉敏。

　　在軟件的開發(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，一個(gè)Motion Creator的調(diào)試軟件可會(huì)跟隨在軟件上剿恬。從圖九可以看到在SSCNET的Motion Creator軟件上索击，可以使伺服參數(shù)調(diào)整隧帜，到試機(jī)調(diào)校在同一平臺(tái)下完成，大幅減少了系統(tǒng)開發(fā)驗(yàn)證的時(shí)間邢侵。

 
　　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)用上的好處豫柿。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)版鳞。在此系統(tǒng)中剧灰， 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)力昧识。 圖十的左下圖所示是傳統(tǒng)伺服的應(yīng)用方式钠四。 第一軸作位置控制盗扒，同時(shí)第一軸輸出電流指令來(lái)下到第二軸來(lái)作扭力控制跪楞。如此就可以使第二軸跟隨第一軸同動(dòng)÷略睿可是指令的時(shí)間差還是會(huì)造成無(wú)法
完全同動(dòng)甸祭。右下圖是利用SSCNET的雙軸同動(dòng)∪煊埃可以看到在控制方式及配在線都精簡(jiǎn)很多池户。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。

　　未來(lái)SSCNET的發(fā)展還會(huì)朝著傳輸速度更快凡怎，傳輸距離更長(zhǎng)來(lái)前進(jìn)校焦。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。

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