程序运动控制技术
Sequence motion control technology

现有的运动控制核心技术
1 ASIC-Based
---ASIC（Application Specific Integrated Circuit）即特殊用途集成电路或专用集成电路。许多运动控制器会采用具有运动功能的ASIC来达到低端或是高端的运动控制。通常ASIC已经由芯片开发厂商经过一连串测试与市场洗炼,所以稳定度和功能的验证度高,整体的指令集执行速度快。但是由于其缺乏可程序化能力,所以相较于DSP的运动控制卡,无扩充能力,亦无法实现绝对同步的运动控制。ASIC-based的运动控制一般适合用于步进马达、线性马达和伺服马达等异步运动轨迹的控制。
2 DSP-Based
---近年来,由于伺服控制有实时性(Real Time)的需求,在精准时间控制的要求下,一般都采用速度较快的DSP,也有采用RISC或是一般CPU来完成的。使用高速的DSP通常会搭配高速的内存。由于采用DSP的运动控制卡具有可程序化的能力,所以一般使用者可以下载部分过程控制码在DSP内部执行,使得整个控制程序享有实时性(Real Time)。
3 串行控制技术
---伺服马达的串行控制技术在市场上也不少见。一般而言,串行式控制具有自己的通讯协议,使得控制器与被控制端(伺服驱动器)可以依通信协议进行资料交换,以作为运动控制或是取得相关伺服信息回到控制器本端。其通信也会依一个固定时钟做数据交换和更新动作,也就是会依据实时性的特性来运作。
---笔者将以三菱串行式的控制技术为基础,来说明程序运动控制技术。SSCNet是三菱提出的串行式伺服控制,全称为Servo System Control Network。第二代SSCNetII的实时性(Real Time)特性为0.888ms。

程序运动控制的概念
---在复杂的机构与控制中,机构与时间的配合十分重要,尤其是多连杆的机构。图2为一个复杂的运动机构,在芯片吸取的过程中,顶针也必须在准确且与机器手臂同步的时间内将芯片顶起以利于吸头的抓取,所有的机械动作都要依赖运动控制卡的程序运动控制技术才能完成。
---若串行式运动控制必须通过PC将用户的运动控制指令传达到运动控制卡上,传递过程中由于操作系统的时间延迟和非实时性,多轴之间的同步性无法很准确的实现。
---如图3所示,若不利用程序运动控制技术,那么运动指令在操作系统中传递所造成的Time Delay（时间差）,将使其无法进行同步运动控制。因此,程序运动控制的精神在于将用户需要做到同步运动的控制轴,编成程序代码后,下载至DSP中做运算,DSP会依据串行式运动的数据更新周期时间完成过程控制,如图4所示。

程序运动控制的优点
---对于需要实时性(Real Time)控制产业的应用者,过程控制技术有以下优点。
---● 一般的无同步机制的控制卡,各轴之间的控制为独立关系,如果要进行主轴(Master Axis)与从轴(Slave Axis)的应用,那些解决方案是无法达到精确控制需求的。唯有利用串行式运动控制技术,彼此间依照通信协议的固定时钟,才能依照基本时钟进行同步控制。
---● 除串行式控制技术外,DSP的加入,可以让用户有更多的弹性加入到过程控制的流程,可程序化的优点让用户不会因操作系统的非实时性而造成指令延迟。可以充分利用串行式控制的实时性,而达到多轴同步控制的应用。
---● 在过程控制中,用户可以自由选择各轴间的同步关系,例如决定了主轴运动之后,从轴可以依据主轴的位置、运动速度或是外部的数字信号作为同步触发信号,亦可实现动态位置补偿的功能,使得主从轴可以在时间上完美搭配。
---● 过程控制的控制权在DSP上,所以可以大幅减少CPU的系统负担,减少通过操作系统传递运动指令所造成的时间延迟,增进往复性的控制效能。

结语
---运动控制的技术日新月异,不论是ASIC或是DSP为核心的运动控制卡,均有其优缺点。在高端应用上,控制的实时性要求会是一个新趋势,串行式的通信技术加上DSP的运动控制,程序运动控制的技术将可以让用户在精密机械的控制中,提升控制精度与效能,缩短往复性运动的周期时间,进而增加机器设备的生产能力。