運動控制基本概念

課程名稱：運動控制概論學生姓名：吳聖毅班 級：控晶四甲學 號： 4982C040授課教師：王明賢 主任

資料來源http://www.ni.com/white-paper/3367/zht#toc5

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目錄•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

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•1. 運動控制系統的元件下圖即顯示運動控制系統的不同元件。

運動控制系統的元件

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• 應用軟體 – 應用軟體可設定目標位置與運動控制軌跡 (Profile)。

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。

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。

機器要素 – 馬達可為某些機器提供力矩。其中包含滾珠滑組 (Linear slide)、機器手臂，與特殊致動器。

反饋裝置或位置感測器 – 位置反饋 (Feedback) 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 (Quadrature encoder)，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。

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•2. 設定、原型製作，與開發軟體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

運動控制系統開發過程

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•設定首先必須設定系統。 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，協助使用者瞭解系統功能。

NI MAX 為互動式的工具，可設定並調整運動控制系統

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原型製作當系統設定完畢，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。

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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。

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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。 

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•3. 運動控制器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。

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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。

可進一步瞭解 NI DSP 架構運動控制器的 FlexMotion 架構。

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計算軌道運動軌道，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

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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。

常見的梯形速度軌跡

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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。

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•4. 移動類型單軸、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。

LabVIEW 中的單軸、點對點運動

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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 (Microscopy) 。下圖即是使用 LabVIEW 完成雙軸移動。

於 LabVIEW 中整合多軸運動

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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 (Blend factor) 。軌跡混合 (Blending) 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 (Contouring) 運動。

軌跡混合 (Blending) 運動

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下圖則說明 2 組向量於 LabVIEW 中移動的軌跡混合作業

LabVIEW 中的軌跡混合運動

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軌跡追蹤 (Contouring) 運動透過軌跡追蹤 (Contouring) ，即可構成位置緩衝區 (Position buffer) ，並建立平滑的路徑或曲線 (Spline) 。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。

軌跡追蹤 (Contouring) 運動

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下圖則為 LabVIEW 中的軌跡追蹤運動。若要進一步瞭解軌跡追蹤，則可於 NI-Motion 驅動程式中觀看 Countouring.llb 範例函式庫。

LabVIEW 中的軌跡追蹤運動

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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 (Gear ratio) ，即可使用電子傳動功能。

下圖即說明應如何設定子軸 (Slave axis) 以跟隨主軸 (Master axis) 。若要進一步瞭解電子傳動，可觀看 NI-Motion 驅動程式中的 Gearing.llb 範例函式庫。

LabVIEW 中的電子傳動作業

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•5. 馬達放大器與驅動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。

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使用者亦必須考量放大器與控制器的連接方法。某幾間馬達公司所銷售的驅動，均可輕鬆連接自家的馬達產品。 NI 所提供的驅動，可同時用於雙相位 (Two-phase) 步進馬達與 DC 帶刷伺服馬達。這些驅動均具備螺絲固定端點，可連接多款不同的馬達。下圖則說明 NI 馬達驅動的相異處。

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若要連接其他製造商的驅動與放大器， NI 則提供通用運動介面 (Universal motion interface ， UMI) – 具備螺絲固定端點連結功能的標準 UMI-7764；還有具備 24 V 邏輯數位 I/O 與 D-SUB 連結功能的工業級 UMI-7774 。

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•6. 馬達與機器元素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，先行瞭解某些基本概念。下圖即說明不同的馬達技術。

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優點 缺點 應用步進馬達 低價位、可透過開

迴路運轉、極佳的低端轉矩 (Low-end torque) 、不佔空間

噪音較大、缺乏高速轉矩、不適用於炎熱環境、不適用於多變負載

定位、微位移 (Micro movement)

帶刷 DC 伺服馬達

低價位、一般素度、極佳的高端轉矩 (High-end torque) 、簡易驅動

必須進行維護、較佔空間、電刷火花可能造成 EMI 或對易燃環境造成危險

速度控制、高速位置控制

無刷伺服馬達

免維護、使用壽命長、無火花、高速、不佔空間、安靜、運轉時不發熱

昂貴、驅動構造複雜

機器人、 Pick-and-place 機器臂、高轉矩應用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。

若要計算系統轉矩，請參閱 zone.ni.com 的馬達基本概念文件。當選擇馬達或其他機件時，可能亦需考量現成的致動器 ( 如單階 ) 是否適合應用。致動器的階層 (Stage) 將傳輸電能以達有效的旋轉或線性運動，而不需再由使用者設計之。可透過 中的 Stage Advisor ，找到多家 NI 聯盟夥伴所提供的階層。

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•7. 反饋 (Feedback) 裝置與運動 I/O反饋 (Feedback) 裝置反饋裝置可協助運動控制器瞭解馬達位置。最常見的位置反饋裝置，即為相位差編碼器 (Quadrature encoder) ，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 (Potentiometer) 、提供速度反饋的轉速計 (Tachometer) 、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。

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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。

運動控制系統中的限動與原點開關

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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。