摘要
     
　　由于半導(dǎo)體與光電產(chǎn)業(yè)對生產(chǎn)技術(shù)高速咱士、多軸與高精確度的需求球订，生產(chǎn)機(jī)臺或檢測機(jī)臺中使用的運(yùn)動(dòng)控制硬件控制卡越來越向精確時(shí)程控制的目標(biāo)發(fā)展，本文將針對新應(yīng)用趨勢的『程序運(yùn)動(dòng)』技術(shù)及『絕對同步』運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)做概念性的介紹旋讹，并且與讀者分享在產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用案例殖蚕。
　
　　一、前言
       
　　在大多數(shù)制造業(yè)的生產(chǎn)流程中沉迹，運(yùn)動(dòng)控制占有非常重要的地位睦疫，很多的機(jī)器、設(shè)備鞭呕，包含半導(dǎo)體或是光電產(chǎn)業(yè)設(shè)備笼痛，或者是傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)業(yè)的車床、銑床琅拌、CNC整合加工機(jī)具等缨伊，都包含運(yùn)動(dòng)控制的模塊。
      
　　在PC采取開放式架構(gòu)以及價(jià)格優(yōu)勢下进宝，一些專業(yè)領(lǐng)域的專家刻坊，開發(fā)了很多能在PC-based上應(yīng)用的控制卡，希望能為PC-based用戶提供解決性方案佩嘀。而近年來易祖，由于影像視覺的辨識技術(shù)逐漸成熟，運(yùn)動(dòng)視覺解決方案對搭配運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的需求也越來越明顯沫杜。這些技術(shù)的進(jìn)步促使整個(gè)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用層面更為豐富悍写。更多的設(shè)備開發(fā)商电摔，可以選擇使用開放架構(gòu)的PC和操作系統(tǒng)作為控制用的平臺，也因此更多的核心開發(fā)技術(shù)可以掌握在開發(fā)者手中暴艘，再加上價(jià)格優(yōu)于其它解決方案稀崔，因此具備了很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。
       
　　在運(yùn)動(dòng)控制方面柬沾，大致可以歸納出幾項(xiàng)運(yùn)動(dòng)所需要的控制軌跡：

　　(1) 點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動(dòng)(Point-to-Point)：單軸的運(yùn)用泉剔，通過運(yùn)動(dòng)控制卡的指令集，控制單軸由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)住秉，所以又稱為點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動(dòng)假却。

　　(2) 補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)(Interpolation)：補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)通常可以分為線性補(bǔ)間及圓弧補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)睹傻。線性通诚孽危可以由兩軸以上構(gòu)成，而圓弧補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)則由兩軸構(gòu)成明未，形成一個(gè)多維或二維的運(yùn)動(dòng)軌跡拓春。通常補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)可以用于連續(xù)軌跡的運(yùn)動(dòng)控制，例如雕刻或是鞋模等等亚隅。補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)的解析決定了軌跡運(yùn)動(dòng)的控制精度硼莽。

　　(3) 螺線型運(yùn)動(dòng)：由二維的圓弧運(yùn)動(dòng)和垂直軸的線性運(yùn)動(dòng)組合而成，多用于工具機(jī)的應(yīng)用中煮纵。

　　(4) 多軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)或是同時(shí)停止：控制兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)軸做PTP的同時(shí)運(yùn)動(dòng)懂鸵，或是同時(shí)停止。

　　(5) 同步運(yùn)動(dòng)控制：通過運(yùn)動(dòng)控制卡的絕對同步性行疏，可以使多軸的運(yùn)動(dòng)依照一定的時(shí)間順序準(zhǔn)確控制匆光，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(yùn)動(dòng)。通常這種方式的控制必須采用串行式的運(yùn)動(dòng)控制器才能達(dá)成酿联，由于串行式控制器與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器有特定的通信協(xié)議终息，彼此之間可以依據(jù)運(yùn)作的時(shí)鐘，來實(shí)現(xiàn)絕對運(yùn)動(dòng)的控制贞让。本文即是與讀者分享由同步運(yùn)動(dòng)所發(fā)展的程序運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)艺滑。

　　二、目前現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制解決方案

　　控制核心技術(shù)
　　
　　ASIC-Based
       
　　ASIC為Application Specific Integrated Circuit砰染，特殊用途集成電路或?qū)Ｓ眉呻娐诽獭ＴS多運(yùn)動(dòng)控制器會采用具有運(yùn)動(dòng)功能的ASIC，來達(dá)到低端或是高端的運(yùn)動(dòng)控制标增。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玻冗，所以穩(wěn)定度與功能的驗(yàn)證度高，整體的指令集執(zhí)行速度快杠卜，但是逐枢，缺乏可程序化能力综澄，所以相較于DSP的運(yùn)動(dòng)控制卡，無擴(kuò)充能力遍跌，亦無法實(shí)現(xiàn)絕對同步的運(yùn)動(dòng)控制神卢。ASIC-based的運(yùn)動(dòng)控制一般適合用于步進(jìn)馬達(dá)、線性馬達(dá)及伺服馬達(dá)等的異步運(yùn)動(dòng)軌跡控制竖怯。

　　DSP-Based
      
　　近年來蠕膀，由于伺服控制有實(shí)時(shí)性(Real Time)的需求好猪，在精準(zhǔn)時(shí)間控制的要求下胀茵，一般都采用速度較快的DSP，也有采用RISC或是一般CPU來完成的挟阻。使用高速的DSP通常會搭配高速的內(nèi)存琼娘，而采用DSP的運(yùn)動(dòng)控制卡，由于具有可程序化的能力附鸽，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)行脱拼，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)控制程序享有實(shí)時(shí)性(Real Time)的特點(diǎn)。

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　　串行控制技術(shù)
       
　　伺服馬達(dá)的串行控制技術(shù)坷备，在市場上也不少見熄浓。一般而言，串行式控制具有自己的通訊協(xié)議省撑，使得控制器與被控制端(伺服驅(qū)動(dòng)器)可以依通信協(xié)議進(jìn)行資料交換赌蔑，以作為運(yùn)動(dòng)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(gè)固定時(shí)鐘做數(shù)據(jù)交換及更新動(dòng)作竟秫，也就是會依據(jù)實(shí)時(shí)性的特性來運(yùn)作娃惯。在此，筆者將著重于以三菱串行式的控制技術(shù)為基礎(chǔ)肥败，來說明程序運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)罗迎。SSCNet是三菱所提出的串行式伺服控制，全文為Servo System Control Network屑淌。在第二代中秒足，也就是SSCNetII，其實(shí)時(shí)性(Real Time)的特性為0.888 ms荞狠。

　　三繁惦、程序運(yùn)動(dòng)控制的概念

　　在復(fù)雜的機(jī)構(gòu)與控制中，機(jī)構(gòu)與時(shí)間的配合是十分的重要罚蛾，尤其是多連桿的機(jī)構(gòu)越匕。如下圖，一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖例缩笤。

　　在芯片吸取的過程中煎敢，頂針也必須在準(zhǔn)確且與機(jī)器手臂同步的時(shí)間內(nèi)將芯片頂起以利于吸頭的抓取汞潦，所有的機(jī)械動(dòng)作都必須依賴運(yùn)動(dòng)控制卡的程序運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)才能完成。

　　若串行式運(yùn)動(dòng)控制必須通過PC將用戶的運(yùn)動(dòng)控制指令傳達(dá)到運(yùn)動(dòng)控制卡上盲趟，傳遞過程中由于操作系統(tǒng)的時(shí)間延遲且非實(shí)時(shí)性演徘，多軸之間的同步性無法很準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)。

　　如上右圖所示眼虱，若不利用程序運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)喻奥，那么運(yùn)動(dòng)指令在操作系統(tǒng)中傳遞所造成的時(shí)間差，將使其無法進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)控制捏悬。因此撞蚕，程序運(yùn)動(dòng)控制的精神在于將用戶需要做到同步運(yùn)動(dòng)的控制軸，編成程序代碼后过牙，下載至DSP中做運(yùn)算甥厦，DSP會依據(jù)串行式運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)更新周期時(shí)間，完成過程控制寇钉。
       
　　其觀念可以參考以下的示意圖：

　　四刀疙、為什么需要程序運(yùn)動(dòng)控制

　　過程控制技術(shù)可以為需要實(shí)時(shí)性(Real Time)控制的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用者，提供以下的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1) 一般的無同步機(jī)制的控制卡扫倡，各軸之間的控制為獨(dú)立關(guān)系谦秧，如果要進(jìn)行主軸(Master Axis)與從軸(Slave Axis)的應(yīng)用，那些解決方案是無法達(dá)到這種精確控制需求的撵溃。唯有利用串行式運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)疚鲤，彼此間依照通信協(xié)議的固定時(shí)鐘，才能依照基本時(shí)鐘進(jìn)行同步控制掸柏。

　　(2) 除串行式控制技術(shù)外虹烈，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椒玖，可程序化的優(yōu)點(diǎn)讓用戶不需要通過操作系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性而造成指令延遲裳岳。可以充分利用串行式控制的實(shí)時(shí)性胯夏，而達(dá)到多軸同步控制的應(yīng)用锡疗。

　　(3) 在過程控制中，用戶可以自由選擇各軸間的同步關(guān)系豆出，例如決定了主軸運(yùn)動(dòng)之后囊嘲，從軸可以依據(jù)主軸的位置、運(yùn)動(dòng)速度吵淌、或是外部的數(shù)字信號作為同步觸發(fā)信號锯帚，亦可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)位置補(bǔ)償?shù)墓δ埽沟弥鲝妮S可以在時(shí)間上完美搭配被处。

　　(4) 過程控制的控制權(quán)在DSP上楞播，所以可以大幅減少CPU的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)用押，減少通過操作系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)指令所造成的時(shí)間延遲，增進(jìn)往復(fù)性的控制效能靶剑。

　　五蜻拨、結(jié)語
       
　　運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)日新月異，不論是ASIC或是DSP為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡桩引，均有其優(yōu)缺點(diǎn)缎讼。在高端應(yīng)用上，對于控制的實(shí)時(shí)性要求會是一個(gè)新趨勢坑匠，串行式的通信技術(shù)加上DSP的運(yùn)動(dòng)控制血崭，程序運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)將可以讓用戶在精密機(jī)械的控制中，提升控制精度與效能笛辟，縮短往復(fù)性運(yùn)動(dòng)的周期時(shí)間功氨，進(jìn)而增加機(jī)器設(shè)備的生產(chǎn)產(chǎn)能序苏。筆者希望通過這篇文章手幢，與對程序運(yùn)動(dòng)控制有興趣者共同分享，提供另一層面的見解忱详。

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