一、前言

    在大多數制造業(yè)的生產(chǎn)流程中，運動(dòng)控制占有非常重要的地位，很多的機器、設備，包含半導體或是光電產(chǎn)業(yè)設備，或者是傳統機械產(chǎn)業(yè)的車(chē)床、銑床、CNC整合加工機具等，都包含運動(dòng)控制的模塊。

    在PC采取開(kāi)放式架構以及價(jià)格優(yōu)勢下，一些專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的專(zhuān)家，開(kāi)發(fā)了很多能在PC-based上應用的控制卡，希望能為PC-based用戶(hù)提供解決性方案。而近年來(lái)，由于影像視覺(jué)的辨識技術(shù)逐漸成熟，運動(dòng)視覺(jué)解決方案對搭配運動(dòng)控制技術(shù)的需求也越來(lái)越明顯。這些技術(shù)的進(jìn)步促使整個(gè)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的應用層面更為豐富。更多的設備開(kāi)發(fā)商，可以選擇使用開(kāi)放架構的PC和操作系統作為控制用的平臺，也因此更多的核心開(kāi)發(fā)技術(shù)可以掌握在開(kāi)發(fā)者手中，再加上價(jià)格優(yōu)于其它解決方案，因此具備了很強的競爭優(yōu)勢。

    在運動(dòng)控制方面，大致可以歸納出幾項運動(dòng)所需要的控制軌跡：
    (1) 點(diǎn)對點(diǎn)運動(dòng)(Point-to-Point)：?jiǎn)屋S的運用，通過(guò)運動(dòng)控制卡的指令集，控制單軸由A點(diǎn)運動(dòng)到B點(diǎn)，所以又稱(chēng)為點(diǎn)對點(diǎn)運動(dòng)。
    (2) 補間運動(dòng)(Interpolation)：補間運動(dòng)通?？梢苑譃榫€(xiàn)性補間及圓弧補間運動(dòng)。線(xiàn)性通?？梢杂蓛奢S以上構成，而圓弧補間運動(dòng)則由兩軸構成，形成一個(gè)多維或二維的運動(dòng)軌跡。通常補間運動(dòng)可以用于連續軌跡的運動(dòng)控制，例如雕刻或是鞋模等等。補間運動(dòng)的解析決定了軌跡運動(dòng)的控制精度。
    (3) 螺線(xiàn)型運動(dòng)：由二維的圓弧運動(dòng)和垂直軸的線(xiàn)性運動(dòng)組合而成，多用于工具機的應用中。
    (4) 多軸同時(shí)運動(dòng)或是同時(shí)停止：控制兩個(gè)以上的運動(dòng)軸做PTP的同時(shí)運動(dòng)，或是同時(shí)停止。
    (5) 同步運動(dòng)控制：通過(guò)運動(dòng)控制卡的絕對同步性，可以使多軸的運動(dòng)依照一定的時(shí)間順序準確控制，也可以通過(guò)條件設定使得軸與軸之間可以依據相互關(guān)系而運動(dòng)。通常這種方式的控制必須采用串行式的運動(dòng)控制器才能達成，由于串行式控制器與馬達驅動(dòng)器有特定的通信協(xié)議，彼此之間可以依據運作的時(shí)鐘，來(lái)實(shí)現絕對運動(dòng)的控制。本文即是與讀者分享由同步運動(dòng)所發(fā)展的程序運動(dòng)控制的技術(shù)。

二、目前現有的運動(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專(zhuān)用集成電路。許多運動(dòng)控制器會(huì )采用具有運動(dòng)功能的ASIC，來(lái)達到低端或是高端的運動(dòng)控制。通常ASIC已經(jīng)由芯片開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商經(jīng)過(guò)一連串測試與市場(chǎng)洗煉，所以穩定度與功能的驗證度高，整體的指令集執行速度快，但是，缺乏可程序化能力，所以相較于DSP的運動(dòng)控制卡，無(wú)擴充能力，亦無(wú)法實(shí)現絕對同步的運動(dòng)控制。ASIC-based的運動(dòng)控制一般適合用于步進(jìn)馬達、線(xiàn)性馬達及伺服馬達等的異步運動(dòng)軌跡控制。

DSP-Based
    近年來(lái)，由于伺服控制有實(shí)時(shí)性(Real Time)的需求，在精準時(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(lái)完成的。使用高速的DSP通常會(huì )搭配高速的內存，而采用DSP的運動(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(guò)程控制碼在DSP內部執行，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)
    伺服馬達的串行控制技術(shù)，在市場(chǎng)上也不少見(jiàn)。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(伺服驅動(dòng)器)可以依通信協(xié)議進(jìn)行資料交換，以作為運動(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)鐘做數據交換及更新動(dòng)作，也就是會(huì )依據實(shí)時(shí)性的特性來(lái)運作。在此，筆者將著(zhù)重于以三菱串行式的控制技術(shù)為基礎，來(lái)說(shuō)明程序運動(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、程序運動(dòng)控制的概念

    在復雜的機構與控制中，機構與時(shí)間的配合是十分的重要，尤其是多連桿的機構。如下圖，一個(gè)復雜的運動(dòng)機構圖例。

    在芯片吸取的過(guò)程中，頂針也必須在準確且與機器手臂同步的時(shí)間內將芯片頂起以利于吸頭的抓取，所有的機械動(dòng)作都必須依賴(lài)運動(dòng)控制卡的程序運動(dòng)控制技術(shù)才能完成。

    若串行式運動(dòng)控制必須通過(guò)PC將用戶(hù)的運動(dòng)控制指令傳達到運動(dòng)控制卡上，傳遞過(guò)程中由于操作系統的時(shí)間延遲且非實(shí)時(shí)性，多軸之間的同步性無(wú)法很準確的實(shí)現。

    如上右圖所示，若不利用程序運動(dòng)控制技術(shù)，那么運動(dòng)指令在操作系統中傳遞所造成的時(shí)間差，將使其無(wú)法進(jìn)行同步運動(dòng)控制。因此，程序運動(dòng)控制的精神在于將用戶(hù)需要做到同步運動(dòng)的控制軸，編成程序代碼后，下載至DSP中做運算，DSP會(huì )依據串行式運動(dòng)的數據更新周期時(shí)間，完成過(guò)程控制。

    其觀(guān)念可以參考以下的示意圖：

四、為什么需要程序運動(dòng)控制

    過(guò)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)應用者，提供以下的優(yōu)點(diǎn)：
    (1) 一般的無(wú)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(jìn)行主軸(Master Axis)與從軸(Slave Axis)的應用，那些解決方案是無(wú)法達到這種精確控制需求的。唯有利用串行式運動(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。
    (2) 除串行式控制技術(shù)外，DSP的加入，可以讓用戶(hù)有更多的彈性加入到過(guò)程控制的流程，可程序化的優(yōu)點(diǎn)讓用戶(hù)不需要通過(guò)操作系統的非實(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，而達到多軸同步控制的應用。
    (3) 在過(guò)程控制中，用戶(hù)可以自由選擇各軸間的同步關(guān)系，例如決定了主軸運動(dòng)之后，從軸可以依據主軸的位置、運動(dòng)速度、或是外部的數字信號作為同步觸發(fā)信號，亦可以實(shí)現動(dòng)態(tài)位置補償的功能，使得主從軸可以在時(shí)間上完美搭配。
    (4) 過(guò)程控制的控制權在DSP上，所以可以大幅減少CPU的系統負擔，減少通過(guò)操作系統傳遞運動(dòng)指令所造成的時(shí)間延遲，增進(jìn)往復性的控制效能。

五、結語(yǔ)

    運動(dòng)控制的技術(shù)日新月異，不論是ASIC或是DSP為核心的運動(dòng)控制卡，均有其優(yōu)缺點(diǎn)。在高端應用上，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的運動(dòng)控制，程序運動(dòng)控制的技術(shù)將可以讓用戶(hù)在精密機械的控制中，提升控制精度與效能，縮短往復性運動(dòng)的周期時(shí)間，進(jìn)而增加機器設備的生產(chǎn)產(chǎn)能。筆者希望通過(guò)這篇文章，與對程序運動(dòng)控制有興趣者共同分享，提供另一層面的見(jiàn)解。