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參考資料：運動控制基本概念 http://www.ni.com/white-paper/3367/zht#toc1 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 運動控制系統的元件 設定、原型製作，與開發軟體 運動控制器 移動類型 馬達放大器與驅動 馬達與機器元素 反饋 (Feedback) 裝置與運動 I/O 下圖即顯示運動控制系統的不同元件。 應用軟體 – 應用軟體可設定目標位置與運動控制軌跡。 馬達 - 馬達將電能轉換為機械能，產生足夠力矩將馬達推送至所需 的位置。 運動控制器 – 運動控制器如同系統的大腦，可管理目標位置與運 動軌跡、建立馬達所應行進的軌道、針對伺服馬達輸出 ±10 V 訊號， 或針對步進馬達輸出步進與方向脈波。 放大器或驅動 – 放大器 (亦稱為驅動) 可接收控制器的指令，並 產生所需的電流以轉動馬達。 機器要素 – 馬達可為某些機器提供力矩。其中包含滾珠滑組、機 器手臂，與特殊致動器。 反饋裝置或位置感測器 – 位置反饋裝置並非所有運動控制應用所 必須 (如控制步進馬達)，卻為伺服馬達所必要。反饋裝置一般為相 位差編碼器 ，可感測馬達位置並將結果回報予控制器，以關閉運動 控制器的迴路。 應用軟體主要可分為 3 類：設定、原型製作，與應 用開發環境 (ADE)。下圖則表示運動控制系統的程式設 計過程，還有與該程序相對應的 NI 產品： 首先必須設定系統。NI 的 Measurement & Automation Explorer (MAX) 即為互動式工具，可設定 運動控制與其他所有的 NI 硬體。針對運動控制，MAX 提供互動式的測試與調整面板，可於程式設計之前，協 助使用者了解系統功能。 當系統設定完畢，則可開始製作應用原型並進行開發。在此階 段中，必須建立運動控制軌跡 (Profile) 並於系統中進行測試， 以確保設定檔符合自己的需求。針對原型製作，NI 則提供 NI 運動小幫手 (Motion Assistant)。NI 運動小幫手為互動式工具， 僅需滑鼠點選即可設定相關動作，並根據所設定的動作產生 NI LabVIEW 程式碼。NI 運動小幫手的主要優點，在於可設定 與可程式化環境中的差異。在可設定的環境中，不需程式設計 即可進行開發作業。使用者可將 NI 運動小幫手中的作業，當 成預先撰寫的程式碼區塊，並僅需將之設定以符合自己的需要。 而就可程式化環境來說，使用者必須使用如 LabVIEW、C， 或 Visual Basic 的標準程式設計語言，以完成自己的作業。然 而，許多可設定環境的功能往往不甚完備，或較無法整合運動 應用以外的 I/O。NI 運動小幫手則提供所有可設定系統的功能， 還有 LabVIEW 程式碼產生功能，以銜接可程式化環境與可設 定環境。 NI 運動小幫手可迅速製作原型，並將專案轉換為 LabVIEW VI 或 C 程式碼，以進一步開發之。 運動控制器即為運動控制系統的大腦，並負責計算所 需的移動軌道。由於此作業極為重要，因此往往於機板 上的數位訊號處理器 (DSP) 執行，以避免主機電腦產生 干擾 (應該沒有人喜歡運動作業因防毒軟體而中斷)。運 動控制器將使用自己所計算的軌道，再決定合適的轉矩 指令，並將之傳送至馬達放大器以產生運動。 運動控制器亦必須關閉 PID 控制迴路。由於此作業需 要極高的精確度，且為穩定作業所必須，因此往往直接 於機板上關閉控制迴路。除了關閉控制迴路，運動控制 器亦監控緊急限制與停止功能，以確保作業安全。若能 從機板或即時系統中直接進行上述作業，則可確保運動 控制系統的穩定性、精確性，與安全性。 運動軌道，代表運動控制器的機板控制作業，或輸出 至驅動/放大器的指令訊號，接著依循軌跡造成馬達/運 動的行動。一般運動控制器均根據程式的參數值，以計 算運動軌跡的軌道區段 (Trajectory segment)。運動控 制器則使用所需的目標位置、最大目標速度，與使用者 所提供的加速度值，以決定要於 3 項主要移動區段 (加 速度、等速度，與減速度) 所耗費的時間。 針對一般梯形軌跡的加速度區段，將根據停止位置或 先前的移動開始運動作業，並跟著指定的加速坡道 (Acceleration ramp) 動作，直到速度達到移動作業的 目標速度。 運動作業可依目標速度持續所指定的時間，直到控制器決 定開始減速度區段，並讓運動停止於所需的目標位置。 若運動作業極短，可於完成加速度之前即達到減速度開始 點，則軌跡將接著呈現三角形而非梯形，且所達的實際速度可 能低於所設定的目標速度。S 曲線 (S-curve) 加速度/減速度 為基本的梯形軌道強化，即是針對加速度與減速度的坡道，將 之修改為非線性的曲線軌跡。此坡道外觀的微調控制功能，可 針對慣性、摩擦力、馬達動態，與其他機器運動系統的限制， 依需要而調整運動軌道效能。 NI 提供 3款 DSP 架構的運動控制器系列，包含低價 位的 NI 733x 系列、中階的 NI 734x 系列，與高效能 的 NI 735x 系列。NI 733x 系列的低價位控制器，具備 4 軸式步進馬達控制，還有多項應用所需的基本功能， 包含單軸與多軸的點對點運動。NI 734x 系列為中階產 品，具備最多 4 軸的步進與伺服控制，還有如軌跡追蹤 (Contouring) 與電子傳動 (Electronic gearing) 的進 階功能。NI 735x 為高階系列，具備最多 8 軸的步進與 伺服控制、額外的 I/O，還有多項高階功能；如無刷馬 達的弦波整流 (Sinusoidal commutation)，與高速整合 的 4 MHz 週期性斷點 (Periodic breakpoint)，或稱位 置觸發器 (Position trigger)。 雖然目前具備 DSP 的運動控制器已可適用於多項應 用，但若提到 200 kHz 伺服更新率的高精確度運動控制 作業，工程師即必須透過客制化印刷電路板設計所需的 運動控制器。如此一來，不僅必須提高開發成本與時間， 其運動控制器固定功能亦將缺乏重新設計彈性，亦無法 於執行期間適應運動控制運算式的變動。某些需要較高 精確度與彈性的應用，則包含半導體產業的晶圓處理機 器，或是汽車產業的執行期間可重設組裝線的產線內車 輛排序作業。NI 以可重設 I/O搭配 NI SoftMotion 技 術，再輔以 FPGA 的完整彈性，特別適用於高精確度的 客制化運動控制作業。 單軸、點對點運動： 最常使用的軌跡之一，即為簡單的單軸、點對點移動； 此運動需要軸線所將移動的位置。同時亦需要運動產生 時的速度與加速度 (一般均使用預設值)。下圖即是使用 預設速度與加速度，於 LabVIEW 中移動單軸的情況。 整合式多軸運動： 另外 1 種運動即整合了多軸運動或向量運動。此種 移動一般均為 2D 或 3D 空間的點對點運動。向量移動 時，需要 X、Y，及/或 Z 軸上的最後位置。而運動控制 器亦需要某種類型的向量速度與加速度。此運動軌跡一 般均用於 XY-type 的應用中，如掃瞄或自動化顯微作業。 下圖即是使用 LabVIEW 完成雙軸移動。 軌跡混合 (Blended) 運動： 軌跡混合運動，即混合了 2 組移動使其成為僅 1 組 運動。軌跡混合運動需要 2 組移動，還有 1 組可指定 混合尺寸的混合因子。軌跡混合極適用於 2 組不同移動 之間的連續運動應用。然而，在混合軌跡運動中，系統 將不會通過原始軌道中的所有運動點。若路徑上的特定 位置極為重要，則可考慮採用軌跡追蹤運動。 下圖則說明 2 組向量於 LabVIEW 中移動的軌跡混合作業。 軌跡追蹤 (Contouring) 運動： 透過軌跡追蹤，即可構成位置緩衝區，並建立平滑的 路徑或曲線。與軌跡混合相較，軌跡追蹤可確保系統通 過各個位置，因此較具有優勢。 下圖則為 LabVIEW 中的軌跡追蹤運動。 電子傳動 (Electronic Gearing)： 透過電子傳動功能，不需使用實際的齒輪或傳動軸， 即可模擬 2 組齧合齒輪之間所發生的運動。只要提供子 軸、主軸、編碼器，或 AC 通道之間的齒輪比，即可使 用電子傳動功能。 下圖即說明應如何設定子軸以跟隨主軸。 馬達放大器或驅動均為系統的 1 部分。運動控制器 先以低電流的類比電壓訊號構成指令，在馬達放大器接 收之後，再將之轉換為高電流的訊號以驅動馬達。馬達 驅動具有多種不同的變數，以符合所驅動的不同類型馬 達。舉例來說，步進馬達驅動即連接步進馬達，而不會 連接伺服馬達。除了搭配對應的馬達技術之外，驅動亦 必須提供正確的電壓、連續電流，與峰值電流，以驅動 該馬達。若驅動供應過多電流，則可能損毀馬達。若驅 動供應電流不足，則馬達無法達到完全的轉矩功能。若 電壓不足，則馬達將無法全速運轉。 在設計運動控制系統時，馬達選擇與機器設計均為關 鍵部分。雖然多家馬達公司均可協助客戶選擇正確的馬 達，但是使用者最好能夠再選擇馬達之前，先行了解某 些基本概念。下圖即說明不同的馬達技術。 根據所要使用的技術，再進一步決定馬達軸芯的轉矩與慣性。 反饋 (Feedback) 裝置： 反饋裝置可協助運動控制器了解馬達位置。最常見的 位置反饋裝置，即為相位差編碼器，可提供起始點的相 對位置。大多數的運動控制器，均為搭配使用此類型的 編碼器所設計。其他反饋裝置則包含可提供類比位置反 饋的位移計、提供速度反饋的轉速計、可進行絕對位置 量測的絕對編碼器，還有可進行絕對位置量測的解析器 (Resolver)。當使用 NI 運動控制器時，則可使用相位 差編碼器與位移計。 運動 I/O： 運動控制中的其他重要 I/O，包含限動開關、原點開 關、位置觸發器，與位置擷取輸入。限動開關 (Limit switch) 可通知運動結束的資訊，以避免造成系統毀損。 當運動系統接觸到限動開關時，一般均將停止移動。而 原點開關 (Home switch) 將指出系統的原點位置，以協 助使用者定義參考點。此功能對 Pick-and-place 機器 臂的應用特別重要。 當整合其他裝置時，如位置觸發器輸出，或位置擷取 輸入的觸發器就顯得重要。透過位置觸發器輸出 (亦稱 為斷點與位置比較)，即可將觸發器設定於預先輸入的位 置進行作業。此類型的動作特別適用於如掃瞄作業，而 使用者可能必須觸發 1 組系統，使其能夠在預先設定的 位置上進行量測。而位置擷取輸入 (Position capture input)，可讓運動控制器迅速擷取事件發生的位置，並 將之儲存至記憶體中。若使用者擁有外部觸發器，且欲 知道於系統中發生的位置時，則可透過位置擷取輸入進 行作業。