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確保馬達更精準順暢 運動控制目標明確
[作者 王明德]   2018年08月28日 星期二 瀏覽人次: [988]

前言:隨著精度的需求逐漸提升,運動控制的要求也開始存在,如何讓馬達動得更順暢、精準,這也是所有運動控制廠商追求的終極目標。


作為自動化的一環,運動控制技術在強勁市場需求的推動下,運動控制技術發展迅速,應用廣泛。它容納各種不同負載與動態條件,處理機械系統傳來的資訊,和複雜的控制運算方程式來執行相關的行為,在傳統自動化系統的整合上,扮演重要的地位。


近年來,隨著運動控制技術的不斷進步和完善,作為一個獨立的工業自動化控制類產品,運動控制系統已成為一項成熟的技術,在自動化產業中佔有相當重要的地位;而近年整合包括生產決策、整合製造、友善人機、節能環保加工及全球化生產決策,「智慧製造」也成為工廠自動化的重要趨勢,其中運動控制技術亦在其中扮演主要關鍵角色,也是未來先進「智造」的核心。



圖1 : 運動控制系統已成為一項成熟的技術,在自動化產業中佔有相當重要的地位(攝影/王明德)
圖1 : 運動控制系統已成為一項成熟的技術,在自動化產業中佔有相當重要的地位(攝影/王明德)

從傳統的角度來進行觀察,運動控制其實在最末端基本上就是對「馬達」的控制,過去是透過電壓、電流的傳送,來控制馬達的開與關,即是最基本的控制,不過這種純粹以電流方式控制馬達運轉的方式,基本上沒有精確度可言,隨著精度的需求逐漸提升,運動控制的要求也開始存在,如何讓馬達動得更順暢、精準,這也是所有運動控制廠商追求的終極目標。


以最單純的運動控制結構進行分析,透過伺服連接末端的馬達與前端的控制器,控制器針對需求的運動位置、力量及速度發布指令,經由伺服傳遞脈衝訊號給末端的馬達,馬達再依脈衝的要求作動完成「運動」,這類單機直覺的操作模式是目前最基礎而主流的做法,只要訊號正確,馬達就可以精準的運行,進入的門檻不算太高,但在目前生產線已不像過去單機操控的單純,許多複雜化的運動控制常出現於CNC或輸送帶的應用,容易因雜訊而造成錯誤訊號的指令,在生產線高精度的需求,似乎已呈現力有未逮的狀況,尤其是像是對位、貼合等需要同步運作的應用,更是如此。


產線逐漸複雜 運動控制選項逐漸多元

在較複雜的架構下,傳統的脈衝技術逐漸不敷使用,尤其在雜訊的干擾下,每個馬達所收到的脈衝訊號無法保證相同,甚至馬達間互為雜訊的干擾更為嚴重,自然系統同步就更形困難,目前在較複雜的應用底下,控制器以數位的訊號取代脈衝命令,自然就提高了訊號的精準度,也實現多軸應用的便利性。


除了命令的精準度可以完整傳遞,透過數位訊號連結方式,也降低配線的複雜性,這種分散式的通訊架構透過一個控制器即可控制多個馬達,也讓同步控制的精準度更加提升,透過串連的方式,訊號的一致性可以被確保,這也是多軸控制的主要發展趨勢走向。


但由於目前主流仍為脈衝式為主,廠商都開始加強針對抗雜訊的要求水準,規劃以脈衝式系統進行同步控制的解決方案,透過提高控制器的晶片效能來增加抗雜訊干擾的能力,此外亦以高脈衝傳送的方式來「稀釋」雜訊所造成的影響。


業者指出,雜訊干擾的問題在系統上的確是必然存在的,但透過高脈衝的訊息傳遞,可降低雜訊干擾的影響力,自然可以提升運動控制的精準度,相較於市場主流產品,自然可以以較高的精度提升競爭力。


業者也指出,其實廠商選用脈衝式或通訊式的運動控制系統,並非取決於生產線或產品的精密度,而是應用及環境的需求所致,脈衝式的是用於單機、軸數較少及獨立運作的機台,而較複雜、多軸應用的產線,由於配線與檢修也較為複雜,因此簡化配線的通訊式系統則是較佳的選擇。


目前各家的控制器均針對兩種應用技術進行布局,可以說在這些面向上並無高下之分,像是有廠商推出針對脈衝式的控制器以「虛擬軸」的技術來規劃多軸控制,就可滿足傳統設備的多軸控制需求,使用者選擇脈衝式控制器的另一個主要原因是來自於馬達的成本,脈衝式控制器可以介接的馬達選擇較多,可以因應各種成本組合來提供解決方案。透過簡單的組合達成高效能的應用,這是持續提升脈衝式控制器效能的主要原因。


運動控制走向複雜化

但就趨勢觀察,運動系統的確是逐漸趨於複雜化,由於通訊式架構可以針對更多不同的功能進行配置,在複雜的產線上將可發揮更大的作用,業者指出,在複雜化的系統上考慮的不是單點的運動效果,而是整個生產線的整合流程,當動作複雜的時候,製造業者會想要了解整個生產線系統上的機台是如何運作的,這時在上位的資料整合的軟體系統的重要性,也就被凸顯出來,因此針對後端的管理系統整合,有些廠商即開始透過IPC等PC-Based設備來規劃運動控制的應用,也形成運動控制系統的不同選擇。



圖2 : 運動控制早期伴隨CNC技術發展,後來技術快速發展,應用已越來越多。(source:Reddit)
圖2 : 運動控制早期伴隨CNC技術發展,後來技術快速發展,應用已越來越多。(source:Reddit)

相較於IPC設備,一般對於PLC的認知,主要的優勢在於穩定及堅固,可應用在較為艱困的環境,但最大的弱點則是無法處理太過複雜的運算及控制規劃,加上如要與後端系統介接亦較為複雜;這些特點與IPC設備剛好相反。


PC-Based類設備被認知為在功能性上的確較為強大,但在穩定性議題上也造成相當的不確定性,所以在傳統上除非是在PLC無法負擔之時才以IPC取代,加上IPC的成本相較於PLC來說的確較高,以及在提升介面時的複雜度問題,這些面向也每每成為兩陣營相互較勁之處。不過雖然IPC成本較其他架構為高,但由於其容易與資料庫及I/O進行整合,也受到廠商相當的關注。


**刊頭圖(source : Volk Studio)


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