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确保马达更精准顺畅 运动控制目标明确
 

【作者: 王明德】2018年08月28日 星期二

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前言:随着精度的需求逐渐提升,运动控制的要求也开始存在,如何让马达动得更顺畅、精准,这也是所有运动控制厂商追求的终极目标。


作为自动化的一环,运动控制技术在强劲市场需求的推动下,运动控制技术发展迅速,应用广泛。它容纳各种不同负载与动态条件,处理机械系统传来的资讯,和复杂的控制运算方程式来执行相关的行为,在传统自动化系统的整合上,扮演重要的地位。


近年来,随着运动控制技术的不断进步和完善,作为一个独立的工业自动化控制类产品,运动控制系统已成为一项成熟的技术,在自动化产业中占有相当重要的地位;而近年整合包括生产决策、整合制造、友善人机、节能环保加工及全球化生产决策,「智慧制造」也成为工厂自动化的重要趋势,其中运动控制技术亦在其中扮演主要关键角色,也是未来先进「智造」的核心。



图1 : 运动控制系统已成为一项成熟的技术,在自动化产业中占有相当重要的地位(摄影/王明德)
图1 : 运动控制系统已成为一项成熟的技术,在自动化产业中占有相当重要的地位(摄影/王明德)

从传统的角度来进行观察,运动控制其实在最末端基本上就是对「马达」的控制,过去是透过电压、电流的传送,来控制马达的开与关,即是最基本的控制,不过这种纯粹以电流方式控制马达运转的方式,基本上没有精确度可言,随着精度的需求逐渐提升,运动控制的要求也开始存在,如何让马达动得更顺畅、精准,这也是所有运动控制厂商追求的终极目标。


以最单纯的运动控制结构进行分析,透过伺服连接末端的马达与前端的控制器,控制器针对需求的运动位置、力量及速度发布指令,经由伺服传递脉冲讯号给末端的马达,马达再依脉冲的要求作动完成「运动」,这类单机直觉的操作模式是目前最基础而主流的做法,只要讯号正确,马达就可以精准的运行,进入的门槛不算太高,但在目前生产线已不像过去单机操控的单纯,许多复杂化的运动控制常出现於CNC或输送带的应用,容易因杂讯而造成错误讯号的指令,在生产线高精度的需求,似??已呈现力有未逮的状况,尤其是像是对位、贴合等需要同步运作的应用,更是如此。


产线逐渐复杂 运动控制选项逐渐多元

在较复杂的架构下,传统的脉冲技术逐渐不敷使用,尤其在杂讯的干扰下,每个马达所收到的脉冲讯号无法保证相同,甚至马达间互为杂讯的干扰更为严重,自然系统同步就更形困难,目前在较复杂的应用底下,控制器以数位的讯号取代脉冲命令,自然就提高了讯号的精准度,也实现多轴应用的便利性。


除了命令的精准度可以完整传递,透过数位讯号连结方式,也降低配线的复杂性,这种分散式的通讯架构透过一个控制器即可控制多个马达,也让同步控制的精准度更加提升,透过串连的方式,讯号的一致性可以被确保,这也是多轴控制的主要发展趋势走向。


但由於目前主流仍为脉冲式为主,厂商都开始加强针对抗杂讯的要求水准,规划以脉冲式系统进行同步控制的解决方案,透过提高控制器的晶片效能来增加抗杂讯干扰的能力,此外亦以高脉冲传送的方式来「稀释」杂讯所造成的影响。


业者指出,杂讯干扰的问题在系统上的确是必然存在的,但透过高脉冲的讯息传递,可降低杂讯干扰的影响力,自然可以提升运动控制的精准度,相较於市场主流产品,自然可以以较高的精度提升竞争力。


业者也指出,其实厂商选用脉冲式或通讯式的运动控制系统,并非取决於生产线或产品的精密度,而是应用及环境的需求所致,脉冲式的是用於单机、轴数较少及独立运作的机台,而较复杂、多轴应用的产线,由於配线与检修也较为复杂,因此简化配线的通讯式系统则是较隹的选择。


目前各家的控制器均针对两种应用技术进行布局,可以说在这些面向上并无高下之分,像是有厂商推出针对脉冲式的控制器以「虚拟轴」的技术来规划多轴控制,就可满足传统设备的多轴控制需求,使用者选择脉冲式控制器的另一个主要原因是来自於马达的成本,脉冲式控制器可以介接的马达选择较多,可以因应各种成本组合来提供解决方案。透过简单的组合达成高效能的应用,这是持续提升脉冲式控制器效能的主要原因。


运动控制走向复杂化

但就趋势观察,运动系统的确是逐渐趋於复杂化,由於通讯式架构可以针对更多不同的功能进行配置,在复杂的产线上将可发挥更大的作用,业者指出,在复杂化的系统上考虑的不是单点的运动效果,而是整个生产线的整合流程,当动作复杂的时候,制造业者会想要了解整个生产线系统上的机台是如何运作的,这时在上位的资料整合的软体系统的重要性,也就被凸显出来,因此针对後端的管理系统整合,有些厂商即开始透过IPC等PC-Based设备来规划运动控制的应用,也形成运动控制系统的不同选择。



图2 : 运动控制早期伴随CNC技术发展,後来技术快速发展,应用已越来越多。(source:Reddit)
图2 : 运动控制早期伴随CNC技术发展,後来技术快速发展,应用已越来越多。(source:Reddit)

相较於IPC设备,一般对於PLC的认知,主要的优势在於稳定及坚固,可应用在较为艰困的环境,但最大的弱点则是无法处理太过复杂的运算及控制规划,加上如要与後端系统介接亦较为复杂;这些特点与IPC设备刚好相反。


PC-Based类设备被认知为在功能性上的确较为强大,但在稳定性议题上也造成相当的不确定性,所以在传统上除非是在PLC无法负担之时才以IPC取代,加上IPC的成本相较於PLC来说的确较高,以及在提升介面时的复杂度问题,这些面向也每每成为两阵营相互较劲之处。不过虽然IPC成本较其他架构为高,但由於其容易与资料库及I/O进行整合,也受到厂商相当的关注。


**刊头图(source : Volk Studio)


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