智慧型運動控制晶片設計介紹 課程名稱：運動控制概論 學生姓名：蔡宗憲 班 級：控晶四乙 學 號： 4982C048 授課教師：王明賢 林家慶, 智慧型運動控制晶片設計晶片設計介紹 控制器技術期刊, 工業技術研究院 機械所, 民國 97 年。 1

運動控制基本架構原理介紹 運動控制系統包括由控制器（ Controller ）、驅動器（ Drive ）、 致動元件（ Actuator ）、受控體（ Plant ）、偵測器（ Sensor ）所形成的閉迴路， 圖 1 所示，運動控制系統通常可針對應用需要設計，以控制受控體的位置、速度、 加速度或運動軌跡。控制馬達的轉軸位置即是定位控制的唯ㄧ目標，運動控制卡 2

典型的閉迴路位置控制系統 此控制系統的功能，具備有數位轉類比功能（ D/A converter ）及編碼器回授 （ encoder feedback ）輸入功能 電腦週邊運動控制位置控制迴路可以使用 CPU 來運算， CPU 每隔一段時間 去讀取編碼器的 3

控制器基本架構介紹 控制器若以架構來分，目前所見的控制器 可以大概分為三種： PLC-Based PC-Based CPU-Based 控制器（ stand alone 型）。 4

PLC-based 控制器 配置靈活 體積小 適應惡劣環境 抗干擾性強 可靠性高等優點 5

PC-BASED 控制器 防塵 防振 抗電磁 耐高低溫等 6

CPU-Based 控制器（ stand alone 型） 控制卡若不需要 PC 端的微處理器幫助，便稱為 CPU-Based ， 亦即將微處理器整合進入控制 IC 或控制卡，而形成所謂 stand alone 的架構 減輕 PC 端處理器大量運算的負擔，因此 PC 部分變成可有可 無 僅負責下達使用者命令的人機介面 IMC 運動控制晶片硬體方塊圖 7

運動控制晶片介紹 IMC 運動控制卡為一具有 CPU Build-in 的運動控制晶片 普遍使用 PCI-Bridge 橋接器及 Ethernet Controller 介面 運動控制晶片要處理的工作大概為 1. 脈波命令產生器 2. 編碼器回授輸入 3. 位置控制迴路 8

脈波命令產生器 IMC 智慧型控制卡仍然屬於開發階段，所以運動控制晶片以 FPGA 進 行開發與測試驗證，型號為 Virtex-4 系列之 XC4VFX60-FF672 如圖所示，其中共規劃了 10 個 Banks 共有 672 PINS ，而可用之 I/O PINS 有 352 PINS 此顆 FPGA 內建一顆 CPU 為 PowerPC 405 ，在運動控制卡上主要功能 為運算、命令的解譯、軌跡規劃.. 等等。 9

編碼器回授輸入 運動控制晶片都會有編碼器回授輸入功能可分成三種形式如圖 9 所示 若用開迴路方式，則編碼器回授輸入是用來監控馬達的實際位置，另 外若採用閉迴路控制方式則編碼器回授輸入就扮演非常重要的角色 以 A/B 的方式輸出最為普遍 當使用 A/B 的方式輸出時會做 4 倍頻 2 倍頻或 1 倍頻的電路解碼 10

編碼器主要為抗干擾，凸波雜訊為目的。透過編碼器的解 譯我們可以了解馬達實際上的位置，計算與目標位置的誤 差量，經過 PID 控制法做補償計算後，產生相對應的電壓 值，再經由數位轉類比（ D/A converter ）輸出， 即可對馬達做轉速和位置的控制。 11

位置控制迴路 整個控制環境中，通常連接馬達的負載是隨時變化，但是我們可以透 過馬達編碼器的位置回授適時的知道負載變化狀況，並依據變化情況 給予修正補償。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比 例積分微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調節 結構簡單 穩定性好 工作可靠 PID 控制器是最廣泛應用的控制器，它是由 3 種不同的元素所構成的 P 比例控制器 I 積分控制器 D 微分控制器 12

IMC 運動控制週邊電路介 紹 運動控制卡擁有 脈波產生器 編碼器回授 位置控制迴路功能 13

IMC 運動控制卡的優缺點 優點： 1. 使用最為廣泛。 2. 原理簡單，易於安裝。 3. 不須等待，立即傳送，在負載低時延遲很少 缺點： 1. 容易造成負載增加，負載大時因碰撞頻繁而造成網路效 能降低。 2. 沒有傳送優先等級，沒有品質服務（ QOS ）的規範，不 適合即時（ Real Time ）的應用 14

IMC 運動控制卡外觀 15

IMC 運動控制與現有控制卡之差異 運動控制晶片以開迴路控制步進馬達或是脈波型伺服馬達為主，一般 不具有閉迴路控制功能。現階段所開發的新一代的運動控制 IC ，稱為 IMC IMC 具有 時脈的提高 電壓下降 功耗降低 的優點 IMC 控制晶片，可以整合 EPCIO ASIC 達到高性能、高整合性、高穩定 性、 低成本之目標。 IMC 擁有兩種不同架構，一為獨立工作的專用型控制器 二為與 PC 結合構成高功能型控制器 應用彈性極大，可用於機器人等控制系統，應用場合最寬廣。 16

國內外運動控制功能比較 17

結論 在 現在科技中有許多產品的發展超乎人們的想像, 半導體技術也 越來越發達。 微控制器有高速運算速度輸入控制系統中，例如 IMC 運動控制 和 PC-Based 。雖然有由工研院的研發控制器 EPCIO 但大多數 控制器還是國外的產品比較多。 照這個速度和科技技術的掌握未來應該可以研發出更多功能強 大的運動控制系統的控制器, 對我們現有的技術是很有幫助的。 18

參考文獻 工業技術研究院 機械所 林家慶 工業控制器之運動控制晶片設計技術 陳文泉 工業控制器之運動控制晶片設計技術 李文猶 Nios II-Based 嵌入式系統晶片規劃與 設計 李文猶 FPGA-Based 泛用型嵌入式運動控制模 組設計 19