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基於雙核心DSP之驅控 一體運動控制技術開發

摘要"

本文主要開發雙核心DSP驅控一體技術,並應用於XY三軸螺桿龍門系統中,在運動控制領域,「驅」通常指的為驅動的技術,而「控」則是路徑命令規劃,而驅控一體則是將兩種技術融合為一的產物。然而就驅控一體的實現架構上又可分為硬體與軟體,硬體式的驅控一體仍然如同傳統運動控制系統架構一樣,將「驅」與「控」以硬體方式分開,僅透過硬體的微型化,將這兩部分串接包裝而成;而軟體式的驅控一體則為了使「驅」與「控」緊密結合,通常將兩部分的技術實現於同一硬體上使其共享資源,也因驅控有了資源共享,「控」可配合「驅」下達合適命令,「驅」可提前因應「控」的命令變化,從而可獲比傳統架構或硬體式的驅控一體架構更好的系統匹配特性。因此本文利用TI雙核心DSP搭配TI-RTOS即時作業系統,實現軟體式的驅控一體,並於三軸龍門螺桿載台進行運動測試。

關鍵詞:驅控一體、雙核心DSP、TI-RTOS、龍門控制

前言

近年來,隨著全球機器人的高速發展,使得工業的運動控制技術出現了不少變革,如伺服的全數位化改善了訊號干擾問題,高速串列通訊導入簡化了配線與加強數據取得,而驅控一體化更使得多軸的機械人驅動與控制系統有微型與性能更佳表現,因此驅控一體化為近年來伺服系統的發展方向。
在運動控制領域裡,「驅」通常指的為驅動的技術,而「控」則是路徑命令規劃,而驅控一體則是將兩種技術融合為一的產物。然而就驅控一體的實現架構上又可分為硬體與軟體,硬體式的驅控一體仍然如同傳統運動控制系統架構一樣,將「驅」與「控」以硬體方式分開,僅透過硬體的微型化,將這兩部分串接包裝而成;而軟體式的驅控一體則為了使「驅」與「控」緊密結合,通常將兩部分的技術實現於同一硬體上使其共享資源,也因驅控有了資源共享,「控」可配合「驅」下達合適命令,「驅」可提前因應「控」的命令變化,從而可獲比傳統架構或硬體式的驅控一體架構更好的系統匹配特性。
通常驅控一體系統如當一般標準型伺服系統使用,除了整合的成本稍佔些優勢外,很難有其它誘因吸引廠商使用,故驅控一體系統本質上就該要有屬於系統本身的特色,朝向專用化或效能精進化才能與標準型的伺服系統市場做更明顯的區隔。因此本文將會利用路徑命令產生模組的資訊來提升伺服性能與內建龍門同步控制器來突顯驅控一體的特色。
以同步控制架構上可分成兩大控制架構: 1.串級式同步控制; 2.並聯式同步控制。串級式的方法是將馬達分為主動(Master)馬達與從動(Slave)馬達,主動馬達的運動命令來自於上位控制器,而從動馬達的運動命令來自於主動馬達的位置回授,同步控制是藉由調整主動軸與從動軸頻寬差異來獲得[1],由於系統僅需使用一般標準型伺服馬達系統與做適當的配線即可實現,因此常被用於低階的同步控制系統中;並聯式同步控制較具代表性的有Fanuc[2]與西門子[3],兩者皆利用交叉耦合控制架構概念來協調動態響應不一致的兩軸或受干擾產生的不同步,由於並聯式的同步控制性能好且擁有許多優點,故常被高階的控制器採用,而本文的同步控制器也是基於此類架構來實現。
本文的結構如下:在第二節簡要地描述驅控一體的軟硬體實現系統架構。接下來第三節部分我們將討論驅控一體內的演算法核心─驅動控制與路徑命令產生。第四節描述了實驗裝置、驅控一體性能測試與分析。最後第五節說明本文的結論和建議,提供相關從事人員參考。
  
驅控一體系統架構

本文所開發之驅控一體系統其控制核心硬體架構如圖1所示,是以DSP+FPGA組合而成,其中FPGA使用XILINX XC7A35T,邏輯單元數目為33,280,足夠容下系統所設計的積體電路,另外也有提供與DSP溝通的通訊協定。而DSP採用的為TI TMS320F28377D,此DSP擁有雙C28x的內核與雙CLA,提供了足夠高的計算性能來完成驅控一體系統的實現。
在工控的運動控制領域中,主要有兩大元件,一為運動控制裝置(控制器/控制卡)而另一為伺服馬達驅動器。運動控制裝置主要是負責產生運動的路徑命令,而伺服馬達驅動器負責的工作為路徑命令的追蹤控制,在傳統運動控制架構下,我們對於驅與控的整合著重於提高界面端的訊號交握頻寬,來獲取資料的同步或共享,但相對的交握頻寬提高所要付出的成本也跟著提高。而驅控一體的架構下,由於驅與控可同在一MCU上進行運算控制,因此先天上就已是資料的同步與共享,在差不多的成本下,可獲得更為優異的驅控性能。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。
 

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