程序運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)(Sequence Motion Control Technology)

摘要
    由于半導(dǎo)體與光電產(chǎn)業(yè)對生產(chǎn)技術(shù)高速、多軸與高精確度的需求，生產(chǎn)機(jī)臺(tái)或檢測機(jī)臺(tái)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，并且與讀者分享在產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用案例。

一、前言
    在大多數(shù)制造業(yè)的生產(chǎn)流程中，運(yùn)動(dòng)控制占有非常重要的地位，很多的機(jī)器、設(shè)備，包含半導(dǎo)體或是光電產(chǎn)業(yè)設(shè)備，或者是傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)業(yè)的車床、銑床、CNC整合加工機(jī)具等，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，一些專業(yè)領(lǐng)域的專家，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。而近年來，由于影像視覺的辨識(shí)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。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。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)作為控制用的平臺(tái)，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，再加上價(jià)格優(yōu)于其它解決方案，因此具備了很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。
在運(yùn)動(dòng)控制方面，大致可以歸納出幾項(xiàng)運(yùn)動(dòng)所需要的控制軌跡：
點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動(dòng)(Point-to-Point)：單軸的運(yùn)用，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)，所以又稱為點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。
    補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)(Interpolation)：補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)通?？梢苑譃榫€性補(bǔ)間及圓弧補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)。線性通?？梢杂蓛奢S以上構(gòu)成，而圓弧補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)則由兩軸構(gòu)成，形成一個(gè)多維或二維的運(yùn)動(dòng)軌跡。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。補(bǔ)間運(yùn)動(dòng)的解析決定了軌跡運(yùn)動(dòng)的控制精度。
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。
    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)，或是同時(shí)停止。同步運(yùn)動(dòng)控制：通過運(yùn)動(dòng)控制卡的絕對同步性，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，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，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，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。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)。

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，特殊用途集成電路或?qū)Ｓ眉呻娐?。許多運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)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。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)定度與功能的驗(yàn)證度高，整體的指令集執(zhí)行速度快，但是，缺乏可程序化能力，所以相較于DSP的運(yùn)動(dòng)控制卡，無擴(kuò)充能力，亦無法實(shí)現(xiàn)絕對同步的運(yùn)動(dòng)控制。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。

DSP-Based
    近年來，由于伺服控制有實(shí)時(shí)性(Real Time)的需求，在精準(zhǔn)時(shí)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(huì)搭配高速的內(nèi)存，而采用DSP的運(yùn)動(dòng)控制卡，由于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，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)。

串行控制技術(shù)
    伺服馬達(dá)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(dòng)器)可以依通信協(xié)議進(jìn)行資料交換，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(huì)依一個(gè)固定時(shí)鐘做數(shù)據(jù)交換及更新動(dòng)作，也就是會(huì)依據(jù)實(shí)時(shí)性的特性來運(yùn)作。在此，筆者將著重于以三菱串行式的控制技術(shù)為基礎(chǔ)，來說明程序運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。SSCNet是三菱所提出的串行式伺服控制，全文為Servo System Control Network。在第二代中，也就是SSCNetII，其實(shí)時(shí)性(Real Time)的特性為0.888 ms。

三、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，尤其是多連桿的機(jī)構(gòu)。如下圖，一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖例。在芯片吸取的過程中，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，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，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，多軸之間的同步性無法很準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)。
    若不利用程序運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，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。因此，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，下載至DSP中做運(yùn)算，DSP會(huì)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。
四、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)： 一般的無同步機(jī)制的控制卡，各軸之間的控制為獨(dú)立關(guān)系，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。唯有利用串行式運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，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。
    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(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?？梢猿浞掷么惺娇刂频膶?shí)時(shí)性，而達(dá)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(yùn)動(dòng)之后，從軸可以依據(jù)主軸的位置、運(yùn)動(dòng)速度、或是外部的數(shù)字信號(hào)作為同步觸發(fā)信號(hào)，亦可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)位置補(bǔ)償?shù)墓δ?，使得主從軸可以在時(shí)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(fù)擔(dān)，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。

五、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，均有其優(yōu)缺點(diǎn)。在高端應(yīng)用上，對于控制的實(shí)時(shí)性要求會(huì)是一個(gè)新趨勢，串行式的通信技術(shù)加上DSP的運(yùn)動(dòng)控制，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，縮短往復(fù)性運(yùn)動(dòng)的周期時(shí)間，進(jìn)而增加機(jī)器設(shè)備的生產(chǎn)產(chǎn)能。筆者希望通過這篇文章，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。