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運動控制大整合時代來臨
技術快速成熟 應用漸趨多元

【作者: 王明德】   2014年10月06日 星期一

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運動控制技術這幾年發展迅速,在處理核心部份,從以單晶片、微處理器作為核心的運動控制器和以專用晶片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器,發展到以PC匯流排的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器,在整體架構方面,也由以傳統數控加工行業專用運動控制架構,發展為具有開放架構、能結合具體應用要求而快速重組的先進運動控制系統。


網路開放式架構和嵌入式架構的通用運動控制器,已逐步成為自動化控制領域裏的主力產品之一,高速、高精度始終是運動控制技術追求的目標,充分利用DSP的運算能力,進行複雜的運動規劃、高速即時多軸插補、誤差補償和更複雜的運動學、動力學計算,使得運動控制精度更高、速度更快、運動更加平穩;就此來看,運動控制器的市場應用的將往兩大方向走,一是DSP和FPGA的導入應用,將使運動控制系統的架構更開放,二是根據用戶的應用要求進行客製化重組,貼身設計出合乎課使用需求的產品。


圖一
圖一

運動控制起源於早期的伺服控制(Servomechanism),簡單來說,運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行即時的控制管理,使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動。


早期的運動控制技術主要是伴隨著數控(CNC)技術、機器人技術(Robotics)和工廠自動化技術而發展,此一時期的運動控制器為可獨立運行的專用控制器,無需另外的處理器和作業系統支援,就可以具有運動控制的功能,這類獨立運行(Stand-alone)的運動控制器,為市場應用了相當常的一段時間。


獨立運行運動控制器主要針對專門的數控機械和其他自動化設備而設計,通常會根據應用行業的需求設計相關的功能,使用者只需按照其協議要求,編寫應用加工代碼檔,利用RS232或者DNC方式傳輸到控制器,控制器即可完成相關的動作,這類控制器通常無法離開其特定需求而跨行業應用,控制器的開放性僅僅依賴於控制器的加工代碼協定,用戶不能因應需求重組自己的運動控制系統。


市場洞開 運動控制更上層樓


由國家組織的開放式運動控制系統的研究始於1987年,美國空軍在美國政府資助下發表了 “NGC(下一代控制器)研究計畫”,該計畫首先提出了開放體系架構控制器的概念,此一計畫的最重要內容,便是提出了“開放系統體系架構標準規格(OSACA)”,從1996年開始,美國幾個大型科研機構對NGC計畫分別發表相應的研究內容,例如在美國海軍支持下,美國國際標準研究院提出了“EMC(增強型機床控制器)”;由美國通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司提出和研製了“OMAC(開放式、模組化體系架構控制器)”,其目的是用更開放、更高模組化的控制架構,使製造系統更具彈性,從而提昇生產效率。


開放式運動控制技術後來成為自動化領域的重要技術之一,20世紀後期,以美國為首的先進國家,其自動化應用開始快速發展,在市場強勁的需求推動下,開放式運動控制技術的進展越來越快,應用逐漸廣泛,開放式運動控制技術也不斷被改善,如今以為越來越多的產業領域接受,市場規模也逐漸擴大。


通用用動控制三大類


目前,開放式運動控制器從架構上主要分為三類:首先是電腦標準匯流排的運動控制器,此一類型是把開放型架構的運動控制器與電腦結合,這種運動控制器大都採用DSP或微機晶片作為CPU,可完成運動規劃、高速即時插補、伺服濾波控制和伺服驅動、外部I/O之間的標準化通用介面功能,其開放的函數庫可讓使用者依據本身需求,在WINDOWS平台下自行開發應用軟體,組成各種控制系統,目前這種運動控制器是市場上的主流產品。


其次是軟體型開放式運動控制器,此一型態架構的使用靈活性最高,其運動控制軟體全部建於電腦中,硬體部分僅是電腦與伺服驅動和外部I/O之間的標準化通用介面,這就像電腦中可以安裝各種品牌的音效卡、CDROM和相應的驅動程式一樣,使用者可以在WINDOWS平台和其他作業系統的支援下,利用開放的運動控制內核,開發所需的控制功能,構成各種類型的高性能運動控制系統,從而提供給使用者更多的選擇與靈活性,軟體型開放式運動控制的特點是開發、製造成本相對較低,能夠給予系統整合商和開發商更高客製化的開發平台。


第三種則是嵌入式架構的運動控制器,這種運動控制器是把電腦嵌入到運動控制器中,使之可獨立運做,這類運動控制器與電腦之間的通訊也是以電腦匯流排為主,不過實質上是匯流排架構運動控制器的變種,對於標準匯流排的電腦模組,這類產品採用了穩定性更高的匯流排連接方式,更適合工業應用。


在使用中,採用如工業乙太網路、RS-485、SERCOS、PROFIBUS等現場網路通信介面鏈接上層控制主機與控制面板,嵌入式運動控制器也可配置硬碟驅動器,甚至可以通過Internet進行遠端診斷,但從整體來說這些系統屬於數控系統,而非獨立的開放式運動控制器產品。


就全球市場來看,目前中國大陸是世界上經濟發展最快的國家,市場上新設備的控制需求、傳統設備技術升級、換代對運動控制器的市場需求越來越大,另外由於市場的競爭壓力,系統整合商和設備製造商要求運動控制系統向開放式方向發展。


除了硬體技術外,軟體也是運動控制廠商積極投入的部份,因此面對越來越多的軟硬體產品選擇,運動控制的整合需求越來越高,包括機械與電機、控制器與驅動程式、機台與軟體之間的整合,而如何透過這些整合,讓傳統運動控制的使用者可無縫升級至新一代控制器,將會是運動控制廠商必須正視的問題。


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