程序運動控制技術(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)機臺或檢測機臺中使用的運動控制硬件控制卡越來越向精確時程控制的目標(biāo)發(fā)展，本文將針對新應(yīng)用趨勢的『程序運動』技術(shù)及『絕對同步』運動控制技術(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，運動控制占有非常重要的地位，很多的機器、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)機械產(chǎn)業(yè)的車床、銑床、CNC整合加工機具等，都包含運動控制的模塊。
    在PC采取開放式架構(gòu)以及價格優(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技術(shù)逐漸成熟，運動視覺解決方案對搭配運動控制技術(shù)的需求也越來越明顯。這些技術(shù)的進步促使整個工業(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，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，再加上價格優(yōu)于其它解決方案，因此具備了很強的競爭優(yōu)勢。
在運動控制方面，大致可以歸納出幾項運動所需要的控制軌跡：
點對點運動(Point-to-Point)：單軸的運用，通過運動控制卡的指令集，控制單軸由A點運動到B點，所以又稱為點對點運動。
    補間運動(Interpolation)：補間運動通常可以分為線性補間及圓弧補間運動。線性通?？梢杂蓛奢S以上構(gòu)成，而圓弧補間運動則由兩軸構(gòu)成，形成一個多維或二維的運動軌跡。通常補間運動可以用于連續(xù)軌跡的運動控制，例如雕刻或是鞋模等等。補間運動的解析決定了軌跡運動的控制精度。
螺線型運動：由二維的圓弧運動和垂直軸的線性運動組合而成，多用于工具機的應(yīng)用中。
    多軸同時運動或是同時停止：控制兩個以上的運動軸做PTP的同時運動，或是同時停止。同步運動控制：通過運動控制卡的絕對同步性，可以使多軸的運動依照一定的時間順序準(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)系而運動。通常這種方式的控制必須采用串行式的運動控制器才能達成，由于串行式控制器與馬達驅(qū)動器有特定的通信協(xié)議，彼此之間可以依據(jù)運作的時鐘，來實現(xiàn)絕對運動的控制。本文即是與讀者分享由同步運動所發(fā)展的程序運動控制的技術(shù)。

二、目前現(xiàn)有的運動控制解決方案
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?。許多運動控制器會采用具有運動功能的ASIC，來達到低端或是高端的運動控制。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的運動控制卡，無擴充能力，亦無法實現(xiàn)絕對同步的運動控制。ASIC-based的運動控制一般適合用于步進馬達、線性馬達及伺服馬達等的異步運動軌跡控制。

DSP-Based
    近年來，由于伺服控制有實時性(Real Time)的需求，在精準(zhǔn)時間控制的要求下，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通常會搭配高速的內(nèi)存，而采用DSP的運動控制卡，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)點在于整個控制程序享有實時性(Real Time)的特點。

串行控制技術(shù)
    伺服馬達的串行控制技術(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)動器)可以依通信協(xié)議進行資料交換，以作為運動控制或是取得相關(guān)伺服信息回到控制器本端。其通信也會依一個固定時鐘做數(shù)據(jù)交換及更新動作，也就是會依據(jù)實時性的特性來運作。在此，筆者將著重于以三菱串行式的控制技術(shù)為基礎(chǔ)，來說明程序運動控制技術(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，其實時性(Real Time)的特性為0.888 ms。

三、程序運動控制的概念
    在復(fù)雜的機構(gòu)與控制中，機構(gòu)與時間的配合是十分的重要，尤其是多連桿的機構(gòu)。如下圖，一個復(fù)雜的運動機構(gòu)圖例。在芯片吸取的過程中，頂針也必須在準(zhǔn)確且與機器手臂同步的時間內(nèi)將芯片頂起以利于吸頭的抓取，所有的機械動作都必須依賴運動控制卡的程序運動控制技術(shù)才能完成。若串行式運動控制必須通過PC將用戶的運動控制指令傳達到運動控制卡上，傳遞過程中由于操作系統(tǒng)的時間延遲且非實時性，多軸之間的同步性無法很準(zhǔn)確的實現(xiàn)。
    若不利用程序運動控制技術(shù)，那么運動指令在操作系統(tǒng)中傳遞所造成的時間差，將使其無法進行同步運動控制。因此，程序運動控制的精神在于將用戶需要做到同步運動的控制軸，編成程序代碼后，下載至DSP中做運算，DSP會依據(jù)串行式運動的數(shù)據(jù)更新周期時間，完成過程控制。
四、為什么需要程序運動控制
    過程控制技術(shù)可以為需要實時性(Real Time)控制的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用者，提供以下的優(yōu)點： 一般的無同步機制的控制卡，各軸之間的控制為獨立關(guān)系，如果要進行主軸(Master Axis)與從軸(Slave Axis)的應(yīng)用，那些解決方案是無法達到這種精確控制需求的。唯有利用串行式運動控制技術(shù)，彼此間依照通信協(xié)議的固定時鐘，才能依照基本時鐘進行同步控制。
    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)點讓用戶不需要通過操作系統(tǒng)的非實時性而造成指令延遲?？梢猿浞掷么惺娇刂频膶崟r性，而達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，例如決定了主軸運動之后，從軸可以依據(jù)主軸的位置、運動速度、或是外部的數(shù)字信號作為同步觸發(fā)信號，亦可以實現(xiàn)動態(tài)位置補償?shù)墓δ?，使得主從軸可以在時間上完美搭配。
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)負擔(dān)，減少通過操作系統(tǒng)傳遞運動指令所造成的時間延遲，增進往復(fù)性的控制效能。

五、結(jié)語
    運動控制的技術(shù)日新月異，不論是ASIC或是DSP為核心的運動控制卡，均有其優(yōu)缺點。在高端應(yīng)用上，對于控制的實時性要求會是一個新趨勢，串行式的通信技術(shù)加上DSP的運動控制，程序運動控制的技術(shù)將可以讓用戶在精密機械的控制中，提升控制精度與效能，縮短往復(fù)性運動的周期時間，進而增加機器設(shè)備的生產(chǎn)產(chǎn)能。筆者希望通過這篇文章，與對程序運動控制有興趣者共同分享，提供另一層面的見解。