多軸運動控制器

課程名稱：運動控制概論學生姓名：林冠廷班 級：控晶四乙學 號： 4982C098授課教師：王明賢

題目：以CAN Bus為基礎的分散式即時伺服馬達控制器之設計與實作

研 究 生：廖建龍指導教授：胡竹生 博士

摘要 由於近年來多軸運動控制對產業界自動化生產扮演越來越重要的角色，應用面也越來越廣泛，如 CNC 工具機、放電加工機、工業機器人及半導體製程設備等，皆需要一高效能精密運動控制器來實現。而應用分散式即時網路技術來達成多軸同步運動控制，已成為目前伺服驅動發展的趨勢。結合網路技術與伺服馬達的運動控制，遂發展成即時網路控制系統。

• 研究動機與目的　　隨著微處理器功能不斷提升與價格的不斷降低，使得其應用也越來越普及。將微處理器應用於伺服控制系統，其快速的計算能力及智慧型的軟體規劃能力，使得我們可以更有彈性的設計控制器，獨立的對各軸伺服器進行控制。這種不同於傳統多軸運動控制，而利用單一組件進行獨立控制的觀念，發展出一套新的控制架構，稱之為分散式控制 (Distributed Control) 。 分散式控制系統存在著一個重要的問題，就是各單元間的通訊問題。本篇論文利用 CAN Bus 建構出一週期式的通訊協定，主要是針對多軸的運動控制系統而設計的。

• 研究背景與發展現況 運動控制系統由於須處理的訊號十分繁複，從路徑規劃計算、人機監控程式以及系統的自我診斷，乃至於多迴路的伺服控制器、 PLC 的周邊控制等，在資料的運算量非常的龐大。在早期 CPU 功能不夠強的情況下，往往無法應付如此繁複的運算，為了改善效能，許多單晶片的運動控制卡因應而生， PC+ 運動控制卡的運動控制系統逐漸成為市場上的主流。

• 本研究之貢獻1. 可因應不同需求彈性調整系統組態。2. 系統擴充性增加。3. 各單元間各自獨立，模組化設計更為容易。4. 提供各伺服模組的即時與同步協調控制。5. 系統具有多工處理能力，使系統執行更有效率。6. 系統中某一單元發生錯誤時，不致造成整個系統的損壞。7. 可靠度高，減低錯誤維修的困難度。8.開放式網路架構，使用者可有不同的來源選擇。

• 系統架構本篇論文提出一以 CAN Bus 為基礎之即時工控網路架構，整個架構如下圖系統架構圖所示：

• 主要硬體設備DSP EVM板： 為整個 EVM板的設計概觀圖，主要包括了 DSP TMS320F243 、 FPGA 、 SRAM 、 RS232 Transceiver 及 CAN Bus Transceiver 等部分。主要負責的工作，包括對馬達的控制與各 EVM板間資料的傳輸。其中，資料的傳輸部分是利用 CAN Bus 以EXTENDED FORMAT 在 baud rate 為 1Mbits/s 的速度進行傳輸。

驅動程式模組： Taunix 的驅動程式依據Unix 的 switch table 來定義，設計出d_open() 、 d_close() 、 d_read() 、 d_write() 及d_ioctl() 等五組輸出入的介面規格，藉由一致性的介面規格，來保證控制程式的可攜性與輸出入重導向的應用。另外， Taunix亦支援回呼 (call back) 功能，以提供應用程式的快速溝通，與實現非同步輸出入的能力。回呼函式也可用作中斷處理函式的延伸，加強現有中斷處理函式的功能，而不必重新設計中斷處理函式。驅動程式模組架構如下圖所示。

CAN Bus介紹CAN Bus 為 Controller Area Network Bus 的縮寫 [21] ，是一種支援分散式即時控制，並且具有高安全性的序列傳輸通訊協定，傳輸速度最快可達 1 Mbits/s 。根據 ISO/OSI參考模型， CAN Bus 可以細分為幾個不同層：• Data Link Layer： 1.Logical Link Control (LLC) sublayer：提供資料傳輸和遠端資料要求的服務，並且決定接收哪一個訊號。 2.Medium Access Control (MAC) sublayer：實現傳輸通訊協定，包括控制傳輸資料的架構、執行仲裁、錯誤檢查、錯誤處理及錯誤的限制。• Physical Layer：定義如何將每個位元逐一送出，並且處理傳輸同步、字元編碼及字元傳輸時間等事件。

系統實作軌跡計算軌跡的計算，利用 T 型、 S 型兩種加減速，提供點對點、直線和圓弧三種軌跡的計算 [23] 。加減速的目的在於讓運動軌跡的執行更為平滑，減少對機構的傷害。　　圖 4.1 為 T 型加減速， Jerk 在連接點之間會有無限大的脈衝響應，對機構而言是突然極大的加速度改變，會造成衝擊而振動，對機台的精度和使用壽命都有不力的影響。　　

圖 4.2 為 S 型加減速， Jerk 為連續的有限值，所以對於馬達的力矩輸出與減低機台振動都有明顯的改善。

T 型加減速原理推導　　已知的條件為：末速 Vf 、加速時間 TA和路徑距離S 。如圖 4.3所示，我們可以將加速段與減速段合併成一個矩形來看，則時間 。整個路徑軌跡可以分成三個區段來計算—加速段 、等速段 及減速段 。

S 型加減速原理推導　　已知條件與 T 型加減速相同，包括末速 Vf 、加速時間 TA和路徑距離 S 。如圖 4.4所示，整個路徑軌跡可分成五個區段—加速段 I 、加速段 II 、等速段 、減速段 I 和減速段 II ，其中 。

防錯措施我們設計 PC端利用 RS232 傳送資料 的 格 式 如 圖4.5 所示， 可 分為 TEST FORMAT 、 WORK FORMAT 、 JOG FORMAT 、 MOTION FORMAT 及ACK FORMAT 五種 ， 以便讓 DSP端做為命令的判斷 與 提 供防錯 的機制。

MOTION FORMAT

Cmd_Type Axis Dir Sum

1st

byte

2nd

byte

3rd

byte

4th 5th

byte

Cmd_Type Last_Send Data_Num

Data Field

1st

byte

2nd

byte

Last 2

bytes

3rd

byte

圖 4.5 PC to DSP 之資料格式

ACK FORMAT

Cmd_Type

1st

byte

2nd

byte

Ack Sum

3rd 4th

byte

JOG FORMAT

TEST FORMAT、WORK FORMAT

Cmd_Type

1st

byte

Sum

P_Arg I_Arg

4th 5th 6th

bytes

7th 8th 9th

bytes

人機介面我們利用 Borland C++ Builder 3.0 設計一人機介面，以提供使用者方便操作本系統。圖 4.6 為針對兩軸的系統所設計之人機介面整體概觀圖：

Paint Field

圖 4.6 人機介面

軌跡運動模式　　使用者利用 PtP 、 Line 、 Arc 及 Program Operation Interface ，從 PC端送出 MOTION FORMAT 的命令，讓系統進入軌跡運動的模式。在軌跡運動模式下， DSP MASTER必須即時地並行處理與PC 、 SLAVE 之間的通訊及對馬達進行控制；而 DSP SLAVE除了對馬達作控制外，還需要同時與 MASTER進行資料雙向的傳輸。針對這些工作的處理，我們設計利用 Time Triggered Protocol[24][25] [26]來實現。　　什麼是 Time Triggered Protocol呢﹖簡單來說，就是在固定的時間，規劃執行特定的工作。圖4.21 為我們設計在 CAN Bus 上，每個時間必須處理的工作；圖 4.22 為在 RS232 上規劃出每個時間必須執行的動作。

系統狀態分析

　　整合 4.3節工作流程與 4.4節錯誤處理，我們繪出系統工作狀態圖 4.27 ，目的在方便使用者從 PC端監控介面上顯示的系統狀態，了解目前系統工作進行的方式，與下個步驟使用者該如何操作。另外此狀態圖，亦提供離散事件系統邏輯模型 , 方便邏輯控制器和監控器之合成。

實驗數據　圖 4.29 為模擬 CAN Bus 斷線後，系統繼續執行圓運動的軌跡，可看出所設計之加減速效果，且不影響原運動軌跡。 -2 0 2 4 6 8

x 104

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5x 10

4

X¶b

Y¶b

° ¨ ¹ F¹ ê»Ú¹ B°Ê y¸ ñ(CAN BusÂ_½u«áÄ~Äò°õ¦ æ)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-1

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2

3

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5

6

7

8x 10

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pul

se

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-50

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-30

-20

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0

10

20

30

40

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pul

ses/

sam

plin

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time

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-60

-40

-20

0

20

40

60Y¶b³ t«×

sample

pul

ses/

sam

plin

g_

time

下圖為系統利用圓、直線、點對點軌跡畫出之組合圖形。

結 論　　在 PC-Based 控制器興起之前，整個工具機的市場幾乎完全由幾個大廠如 FANUC所把持，整個系統從馬達、伺服驅動器、 PLC 、運動控制器到 CAD/CAM 的設計，全部採集中式的控制架構，規模涵蓋整個系統，使得其他廠商完全沒有插手的餘地。　　應用於分散式控制系統架構的控制網路中，目前以SERCOS 發展最為成熟，是目前對於運動控制系統在軟體通訊協定上定義最為完全的工業網路。但是由於SERCOS 利用光纖傳輸，使得價格偏高，另一方面在國內的相關資源不易取得，因此在市場上的佔有率不是很高，無法普及的應用於工業界。

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