報告內容:運動控制介紹 姓名:黃麒嘉 班級:控晶四乙 指導教授:王明賢

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1 報告內容:運動控制介紹 姓名:黃麒嘉 班級:控晶四乙 指導教授:王明賢
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2 一、運動控制基本概念 二、選用 NI 運動控制的理由 三、NI 運動控制應用領域 四、NI 運動控制的設定與支援 五、NI 運動控制新功能
大綱 一、運動控制基本概念 二、選用 NI 運動控制的理由 三、NI 運動控制應用領域 四、NI 運動控制的設定與支援 五、NI 運動控制新功能

3 一、運動控制基本概念 概觀 從工業級機器到醫療設備，幾乎所有的自動化裝置均必須透過完善控制，以執行所需的運動。用於移動負載的最常見解決方案，即是使用如馬達的電子機械元件。進一步了解由 NI 所提供的控制馬達架構系統，並觀看不同的運動控制解決方案。

4 運動控制需求 工業與嵌入式應用最常見的馬達，共有步進、帶刷，與無刷 DC 馬達；當然還有其他馬達選項。各款馬達均需要獨立的輸入訊號，藉以轉動馬達，並將電能轉為機械動能。綜觀而言，運動控制可讓馬達確實符合應用需求，且不需產生初階訊號亦可轉動馬達。 此外，運動控制可提供高階函式，以基礎區塊 (Building block) 為架構而高效率建置客制應用，並為一般作業建立所需的解決方案；如透過已定義的速度、加速度，與減速度，進行精確定位、多軸同步化，與運動。 由於大多數的馬達均於暫態電路期間運作，而運動控制工具必須容納不同的負載與動態條件，因此更需要處理複雜的控制運算式，與來自於機械系統的資訊。最後必須提的 1 點，就是運動作業雖然極為重要，但操作人員務必注意己身的安全。因此，應具備如限動開關 (Limit switch) 與 I/O 通道的安全功能，藉以蒐集機器狀態資訊並視情況而關機。

5 運動控制系統元件 下圖為運動控制系統的必備元件。 運動控制器為運動控制系統的心臟

6 應用的特殊之處，即在於使用者所開發的應用軟體。該應用程式將決定運動軌跡與特定的事件觸發器，並進一步產生相關影響。應用程式由多個層級所建構。一般均有使用者介面應用，可供操作員進行作業。許多運動應用均包含應用層級 (Application layer)，以進行警示處理作業，並建立資料庫與 SCADA 系統之間的連線。亦包含由運動控制器所執行的運動控制指令。運動控制器製造商將提供開發環境，以利使用者建立應用程式。 透過前述的指令 (Instruction)，運動控制器即可建立運動軌跡。控制器將透過放大器或馬達驅動，將軌跡所構成的訊號 (一般為 ±10 V 或步進/方向訊號) 傳送至馬達。放大器將從控制器接收訊號，並將之變更為可影響馬達移動的訊號。 當馬達轉動時，反饋 (Feedback) 裝置 - 往往為位置感測器 - 會將位置資訊回傳至控制器，以關閉控制迴圈。透過此位置感測器，運動控制器將得知馬達位置，並產生馬達移動時所應有的速度。某些應用則需要多組反饋裝置，以確保機械系統驅動馬達，並執行所需的運動無虞。雖然反饋裝置可反應位置相關資訊，但有時候某些特殊資訊 (如壓力或振動感測器所反應的資料)，均必須回傳至控制器。

7 運動控制器架構 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。由於此為必要作業，因此亦需要專屬資源以達極高的精確度。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。控制器必須關閉控制迴圈，並監控限制條件與緊急停機作業，以確保作業安全。系統必須即時執行各項作業，確保運動控制系統的高穩定性、精確性，與安全性。

8 運動控制器架構

9 下列為運動控制器的不同作業。 監控 (Supervisory control) -- 可進行指令排序與整合，以進行如下的特定作業：
系統初始化，包含回歸至原點 (Homing to a zero position)。 事件處理，包含電子傳動、位置架構的觸發輸出，還有使用者定義事件架構的軌跡更新。 故障偵測，包含停止限動開關的運動、安全系統對緊急停機時的反應、Watchdog 監控功能，還有更多。 軌道產生器 (Trajectory generator) -- 根據使用者指定的軌道，提供路徑規劃。 控制迴圈 -- 執行快速的閉迴路控制，並搭配 1 個軸以上的同步定位、加速，與軌道維護。控制迴路將根據反饋資訊而關閉定位/加速迴路，並可定義系統的反應與穩定性。在步進系統中，步進產生元件即如同控制迴路一般。迴路包含內插 (Interpolation) 元件，或稱樣條引擎 (Spline engine)，可內插至由軌道產生器所計算的設定點 (Setpoint) 之間。此可讓控制迴路的執行速度超過軌道產生器。圖 2 表示 NI 運動控制器的架構。 運動 I/O -- 可做為類比與數位 I/O，以接收或傳輸其他運動控制系統的訊號。一般而言，類比輸出可做為驅動的指令訊號，數位 I/O 可做為馬達所反饋的正交編碼器 (Quadrature encoder) 訊號。運動 I/O 可執行定位斷點 (Breakpoint) 與高速擷取。同樣的，監控作業亦透過運動 I/O 進行特定功能，如對限動開關做出反應，並建立系統初始化所需的運動模式。 NI 則提供 2 種方法，可建置高效能的運動控制系統： PXI 或 PCI 規格的 DSP 架構插卡式運動控制器 使用 NI LabVIEW NI SoftMotion Module 的客制化運動控制器

10 DSP 架構的插卡式運動控制器

11 使用 LabVIEW NI SoftMotion Module 的客制化運動控制器

12 DSP 架構的插卡式運動控制器 NI 提供多款插卡式運動控制器，包含具備完整功能的高效能控制器，可滿足多樣的作業需求；還有低價位的運動控制器，適用於固定效能的點對點運動應用。針對高精確度的應用，則雙處理器架構的控制器，可達到最高 30 kHz 的快速伺服更新率。此 2 組處理器分別為中央處理單元 (CPU) 與數位訊號處理器 (DSP)，構成 NI 運動控制器的骨幹。 控制器 CPU 為 32 位元的微控制器，可執行多工的嵌入式即時作業系統。其效能與精確度可滿足最複雜的運動應用需求。CPU 可執行指令、主機同步化、I/O 反應，與系統監控作業。 DSP 主要負責閉迴路的快速控制，並要針對多軸進行同步定位、加速，與軌道維護。亦必須關閉定位與加速迴路，並將轉矩直接指派至驅動或放大器。運動 I/O 發生於非同步化的 FPGA 硬體中，並包含限動原點開關偵測、定位斷點，與高速擷取。而針對斷點與高速擷取，可確保僅數百個奈秒 (Nanosecond) 的極低潛時。 運動控制處理器是由監控 (Watchdog) 計時器進行監控，而此款硬體可自動偵測軟體異常，並根據情況而重設處理器。監控計時器則負責檢查合適的處理器作業。若運動控制器的韌體無法於 62 ms 之內處理函式，則監控計時器將重設運動控制器且阻斷通訊作業，直到使用者確實重設運動控制器。此可確保運動控制系統的即時作業效能。 這些 PCI 或 PXI 架構的插卡式運動裝置，是專為穩定且精確的控制作業所設計，適用於 Windows 或即時作業系統中。透過強大功能的 API，並支援如 NI 運動小幫手的互動式工具，可大幅縮短開發時間。NI 最高效能的運動控制器為 NI 7350 系列，可為步進或伺服運動控制提供最多 8 軸、額外的 I/O，還有多項強大功能，包含無刷馬達的正弦波整流 (Sinusoidal commutation)，還有高速整合作業的 4 MHz 定期斷點或定位觸發。由於這些插卡式運動控制器均為 PXI 或 PCI 規格，因此可輕鬆整合多款 I/O 模組與硬體，以進行資料擷取或影像處理作業。若要連接運動控制裝置與馬達，NI 亦提供多款連接線與接線盒選項。

13 客制化運動控制器 雖然 DSP 架構的插卡式運動控制器適用於多種應用，但針對 200 kHz 伺服更新率的高精確度運動控制作業，仍需要客制化的運動控制器。某些需要高精確度與彈性的應用，包含半導體產業的晶圓處理機器，或是汽車工業產線內車輛排序 (Inline vehicle sequencing，ILVS) 的執行時間可重設 (Reconfigurable-at-run-time) 組裝產線。 NI 可重設 I/O (RIO) 技術整合了 NI SoftMotion 技術，可為機器工程師提供正確的工具，以 FPGA 的彈性達到高精確度的客制化運動控制。除了高精確度的應用之外，機器工程師與 OEM 亦可使用 LabVIEW NI SoftMotion Module 建置多軸運動控制，並於多款平台上搭配 LabVIEW 圖形化開發環境。針對需要精巧且堅固系統的應用，則可使用 NI CompactRIO 可程式化自動控制器 (PAC)。整合 LabVIEW NI SoftMotion 的高階函式區塊 API 與新的 NI C 系列驅動介面卡，即可迅速開發功能強大的運動應用，並連接數百款步進器與伺服驅動。

14 二、選用 NI 運動控制的理由 整合商、機器製造商、系統工程師的運動控制
NI 運動控制平台，是以可重設硬體與圖形化軟體為基礎，可達到完整的系統設計。簡單易用的現成 NI 運動控制解決方案，亦具備靈活功能可建構進階運動控制應用。可重設的平台有利於高度客制化運動控制解決方案，而常見的一般架構亦可緊密整合機器視覺，用於機器視覺導引的運動控制；或整合感測器 I/O，用於應力回饋並同步化多種量測作業。

15 可緊密整合 I/O LabVIEW 圖形化程式設計 可調整的佈署平台
NI 運動控制是以 PXI 與 NI CompactRIO 平台為架構。若購買 PXI 或 CompactRIO 規格的 NI 運動控制系統，即同時擁有領先業界的量測與控制平台。透過背板的觸發與同步化功能，即可同步單一 PXI 機箱中的運動控制介面卡、資料擷取 (DAQ) 介面卡、模組化儀器，而建構完整的測試與檢驗系統。NI LabVIEW NI SoftMotion Module 可將任何 CompactRIO 系統轉為運動控制器。而透過 LabVIEW Real-Time 可於處理器階段，或透過 LabVIEW FPGA 可於硬體階段，即可同步 CompactRIO 架構的運動控制，與超過 100 款 NI C 系列模組的量測 I/O。 LabVIEW 圖形化程式設計 NI 運動控制器均以 LabVIEW NI SoftMotion Module 進行程式設計。不論是以 LabVIEW for Windows 撰寫的高階應用程式碼；以 LabVIEW Real-Time Module 撰寫的即時運動控制功能 (如監控與軌跡產生)；或以 LabVIEW FPGA 撰寫的初階運動控制 (如轉矩控制迴圈與馬達相位運算系統)，均可緊密整合 LabVIEW NI SoftMotion。LabVIEW NI SoftMotion 提供強大的 VI 與 IP，可因應各種階段而客制化，並可透過 LabVIEW 專案而簡化設定、測試、微調等作業。 可調整的佈署平台 透過插卡式的 PCI 或 PXI 運動控制器，或任何 NI Real-Time 系統上的 LabVIEW NI SoftMotion，均可建構 NI 運動控制應用。PCI 與 PXI 控制器為隨插即用的解決方案，可針對現有的 PCI/PXI 系統隨時新增運動控制功能。LabVIEW NI SoftMotion 則可將運動控制帶入任何 NI Real-Time 系統 (包含 PXI、CompactRIO、NI Single-Board RIO)，讓使用者可根據自己的應用，靈活選擇正確的平台與規格。 支援 NI 致力於客戶的成功，並有多種工具以協助建構新的應用。NI 亦提供多樣的專業服務，從原型製作、靈活分析、諮詢協助，到世界級的完整工程支援服務。針對完整的系統整合與開發，均可洽詢任一家 NI 聯盟夥伴，透過 NI 產品建構專屬的運動控制與機器自動化作業。 加快製作原型、提早完成應用 由於 NI 平台與規格可緊密整合軟、硬體，因此不需任何傳統設計週期的相關成本，即可直接製作運動控制原型並完成佈署。針對客制化或高度整合的運動控制應用而言，因為程式碼必須涵蓋開發機器、Real-Time 處理器，有時甚至還包含韌體或可重設硬體 (如 FPGA)，所以此項特性格外重要。LabVIEW 單一圖形化程式設計環境即可統整這些元件，讓客戶能以更低成本、更快速度完成自己的應用。

16 三、NI 運動控制應用領域 自動化測試 「LabVIEW 簡化點火器 (Igniter) 測試與排序的自動化作業
「透過 LabVIEW，僅需單一程式設計功能即可開發運動控制、數位邏輯、時序/序列、人機介面 (HMI)。」 機器與製造 開發高效能的嵌入式監控系統，以用於自動化的焊管應用 「透過絕佳的 I/O 與運動控制功能，加上 FPGA 的靈活與穩定，CompactRIO 系統讓我們建構了高效能的嵌入式監控系統，確實滿足我們的嚴苛需求。」 醫療 使用圖形化系統設計 (GSD) 開發癌症療程的機器人操作平台 「透過 LabVIEW，我們可減少傳輸中斷的情形，進而節省時間且提升效能。」 研究 歐洲核子研究組織 (CERN) 使用 NI 工具控制世界第一大的粒子加速器 「與傳統 VME 與可程式化邏輯控制器 (PLC) 架構相較，我們著眼於體積精巧、堅固耐用、節省成本的優點，而選用 LabVIEW 與 PXI 系統做為佈署平台的解決方案。」

17 四、NI 運動控制的設定與支援 NI CompactRIO 運動控制 整合運動控制與 CompactRIO 的監控解決方案。

18 PXI 運動控制 整合運動控制與 PXI 的量測解決方案。

19 個人電腦的運動控制 整合運動控制與桌上型的 NI LabVIEW、DAQ 解決方案。

20 NI 運動控制系統設定 平台與元件的選擇 建立 NI 運動控制系統
此線上教學將概述 NI 運動控制硬體選項，並提供相關選購指南，可選用 CompactRIO 的驅動、驅動介面卡、EtherCAT 架構運動控制；選用 PXI 的 NI C 系列擴充式或插卡式運動控制；選用個人電腦的 NI 9148 Ethernet 選項或插卡式運動控制。 NI 驅動與馬達的尺寸 此線上教學可協助選用正確的馬達與驅動。根據馬達而選用正確驅動。

21 NI 運動控制元件 C 系列驅動介面模組 (NI 9512/9514/9516) NI 951x C 系列模組與 LabVIEW 入門
迅速執行隨插即用的運動控制作業。NI 951x 驅動介面模組，具備運動控制 I/O，可溝通 NI 與其他製造商的驅動。納入 NI 951x 模組的運動控制應用，可透過 LabVIEW NI SoftMotion Module 進行程式設計。 NI 9512 C 系列模組與 AKD 伺服驅動入門 AKD 驅動無刷伺服馬達，可接收步進與方向的輸入訊號；若透過 NI 9512 步進驅動介面模組，則可將之控制為步進驅動。 NI 9512 C 系列模組與 P7000 Series 步進驅動入門 P7000 步進驅動可變更 AC 與 DC，均可直接連至 NI 9512 步進驅動介面模組。 NI 9514/16 C 系列模組與 AKD 伺服驅動入門 NI 9514 為伺服驅動介面卡。NI 9516 等同於附加的雙編碼器反饋。可透過類比控制訊號而溝通 AKD 驅動。 透過 EtherCAT 與 C 系列擴充模組 (AKD 驅動、NI 9144、NI 9148、NI 9157/59) 達到運動控制 AKD EtherCAT 驅動與 NI SoftMotion 入門 了解分散式、同步化的高軸線數系統。大多數的 CompactRIO 控制器均可作為 EtherCAT 主機。NI AKD EtherCAT 驅動可菊鏈連結，並透過 LabVIEW NI SoftMotion Module 而直接從 EtherCAT 控制之。 插卡式運動控制器 (NI 7330/7340/7350 系列) 插卡式運動控制器 (NI 7330/7340/7350 系列控制器) 入門 觀看一般指南，以迅速安裝並入門 NI-Motion 驅動程式與 NI 73xx 運動控制器。 NI 7340/7350 運動控制器與 AKD 伺服驅動入門 安裝並設定 AKD 伺服驅動，並搭配 NI 7340 與 NI 7350 運動控制器。 NI 7330/7340/7350 運動控制器與 P7000 系列步進驅動入門 迅速安裝並設定 P7000 系列步進驅動與步進馬達，以搭配 NI 7330、NI 7340、NI 7350 運動控制器。 LabVIEW NI SoftMotion LabVIEW NI SoftMotion 入門 LabVIEW NI SoftMotion Module 具備運動控制組態，可用於 LabVIEW 專案、程式設計介面 (Express VI、Function Block、Property/Invoke Node)，適合電腦的應用開發；運動控制引擎可於 NI Real-Time 系統中執行，可完成精確的運動控制作業；FPGA IP 區塊可用於 LabVIEW FPGA Module 中，以客制化初階的驅動/馬達控制演算法。 NI SoftMotion for SolidWorks 入門 透過 NI SoftMotion for SolidWorks 而設計運動控制模擬作業。LabVIEW 專案可連至預先設定的 SolidWorks 運動控制；建立/設定 NI SoftMotion 軸線，以用於 SolidWorks 組裝作業中的馬達；並透過 NI SoftMotion 函式區塊，而建立 SolidWorks 模擬作業的軌道。 LabVIEW NI SoftMotion 隨附範例 LabVIEW NI SoftMotion 已隨附於多筆範例中，讓使用者可迅速入門運動控制應用。可至 NI Example Finder 觀看範例程式碼並立刻體驗。 將 LabVIEW NI SoftMotion 範例移至運動控制硬體 進一步將 LabVIEW NI SoftMotion 範例專案匯入至特定硬體。 進階 LabVIEW NI SoftMotion Module 軸線介面參考範例 使用 LabVIEW NI SoftMotion 建立客制化介面，並透過工業通訊協定 (如 EtherCAT 與 CANOpen) 而溝通第三方驅動。 NI-Motion 驅動程式 NI-Motion 搭配 NI 73xx 運動控制器入門 所有 NI 運動控制器均隨附 NI-Motion 驅動程式。此驅動程式為進階軟體指令集，適於溝通 NI 運動控制器。另具備多樣的 LabVIEW VI 與範例，可迅速建立運動控制應用。 NI Motion Assistant 透過 NI Motion Assistant 與 LabVIEW 入門 此線上教學將透過 NI Motion Assistant 與 LabVIEW，協助建立強大的運動控制應用。NI Motion Assistant 屬於 LabVIEW 的外掛程式之一，具備圖形化的拖曳式介面與 3D 視覺呈現功能，可控制步進、伺服、壓電致動器。

22 五、NI 運動控制新功能 NI CompactRIO 運動控制
NI C 系列運動控制與驅動介面模組，可將 CompactRIO 轉為客制化的運動控制器，並保有完整的 I/O 功能。 NI 運動控制新產品與新功能 無刷伺服驅動與馬達 NI AKD 伺服馬達驅動，具備業界領先的自動微調技術，提供簡單易用的進階客制化控制功能。 NI 9502 C 系列無刷伺服驅動 建立嵌入式應用。獨立驅動即可作業。透過 LabVIEW FPGA 建構客制化的馬達控制。 NI LabVIEW 2011 的 NI SoftMotion Module 新功能如 FPGA IP 區塊，可強化電子控制；離線軌跡產生，可用於逆向運動學；路徑規劃；軌跡早期測試；Motion Express VI。