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VBI Lecture Series Computer-based Motion Control

VBI Lecture Series Computer-based Motion Control. 內容摘要. 建構運動控制系統 NI 運動控制器 Computer-Based 運動控制程式設計 運動影像整合進階應用 問題及建議. 為什麼選擇 Computer-Based 運動控制 ?. 系統開放 整合性高 彈性極大 使用容易 成本考量 現有的工具豐富. 運動控制 – 於量測及自動化系統中扮演的角色. 硬體及驅動程式. 應用程式開發軟體. UUT. C, C++, Basic, CVI, Measurement Studio.

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VBI Lecture Series Computer-based Motion Control

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Presentation Transcript

  1. VBI Lecture SeriesComputer-based Motion Control National Instruments Confidential

  2. 內容摘要 • 建構運動控制系統 • NI 運動控制器 • Computer-Based 運動控制程式設計 • 運動影像整合進階應用 • 問題及建議 National Instruments Confidential

  3. 為什麼選擇Computer-Based運動控制? • 系統開放 • 整合性高 • 彈性極大 • 使用容易 • 成本考量 • 現有的工具豐富 National Instruments Confidential

  4. 運動控制–於量測及自動化系統中扮演的角色 硬體及驅動程式 應用程式開發軟體 UUT National Instruments Confidential

  5. C, C++, Basic, CVI, Measurement Studio Motion Assistant LabVIEW NI SoftMotion Development Module for LabVIEW NI-Motion Driver Software NI SoftMotion 控制器 M Series NI-DAQ R Series NI-DAQ NI Compact FP NI Compact RIO CANopen PCI PXI PXI RT IEEE 1394 PC-Base系統 分散式系統 客製化 NI 運動控制工具 National Instruments Confidential

  6. 馬達控制系統 National Instruments Confidential

  7. 馬達控制系統 平台 • 馬達 • 回饋裝置 • 極限開關 National Instruments Confidential

  8. 馬達或平台 馬達控制系統 馬達驅動器 Converts low level voltage to high level current or voltage National Instruments Confidential

  9. 和軟體 馬達驅動器 馬達或平台 馬達控制系統 馬達控制卡 • Supervisory control • Trajectory generation • Servo control • Step generation National Instruments Confidential

  10. 和軟體 馬達控制系統 馬達控制卡 馬達驅動器 馬達或平台 NI NI 馬達合作廠商 National Instruments Confidential

  11. Demo 輕鬆規劃一個整合系統 • National Instruments 提供您最簡單規劃馬達整合系統的環境 • Measurement & Automation Explorer • 可規劃所有National Instruments的硬體設備 • 馬達控制硬體的安裝,組態設定及測試 National Instruments Confidential

  12. 在Measurement & Automation Explorer (MAX)做基本的設定與檢測 • Limits and home sensors • Encoders • Closed-loop stability • Gain & phase margin • Transient response • Performance measured using feedback sensor: • Minimal incremental motion • Bi-directional repeatability • Accuracy • Maximum velocity National Instruments Confidential

  13. 位置 電壓 電流 應用程式 馬達控制器 放大器/驅動器 馬達 回饋裝置 (ex: 位置回饋) (ex: 位置) 馬達系統的組成要件 National Instruments Confidential

  14. 組件的選擇 • 分析馬達及周邊機構 • 決定馬達運動方式 • 選擇馬達/平台 • 選擇馬達驅動器 • 選擇控制器 • 選擇軟體平台 • 系統需要的馬達種類為何？ • 馬達的尺寸大小/規格？ • 驅動器的種類？ • 馬達運動的環境為何？ • 所需的控制精準度為何？ • 需要有回饋裝置嗎？回饋的方式？精確度？ • 如何控制？ National Instruments Confidential

  15. 馬達及其相關機構件 應用程式 馬達控制器 放大器 馬達 回饋裝置 National Instruments Confidential

  16. 優點 缺點 低速扭力佳 低速性能不良(不平順) 高精度/解析度 設定時間長 容易使用 無動態滑動補償 低價 對扭力應用無法感應 耐用 有限的最大速度及扭力 步進馬達 • 典型的應用 • 自動化工廠 (繪圖機, 縫紉機, x-y平台) • 半導體製程 • 簡單的定位 National Instruments Confidential

  17. 優點 缺點 高速扭力佳 需要解碼器 速度較快 需要微調 動態滑動補償 微小移動困難 連續回饋 有刷馬達需要維修 有刷或無刷伺服馬達 • 典型的應用 • 工具機, 機械手臂 • 輸送帶速度控制 National Instruments Confidential

  18. 優點 缺點 應用領域 便宜,可以開路控制,低扭力佳,潔淨室可 吵雜及共振,高速扭力差,不適合高溫,不適合會變動的負荷應用 定位,微步運動 步進 便宜,中速,高扭力佳,驅動容易 需維修,非潔淨室,有電花,EMI及爆炸環境的危險 速度控制,高速運動 有刷 伺服 無需維修,壽命長,無火花,高速,潔淨室,安靜,低溫運轉 昂貴且複雜的驅動器 機器手臂,撿拾及置件,超高扭力應用 無刷 伺服 選擇馬達 National Instruments Confidential

  19. Power Transmissions 動力傳輸 • 齒軌 & 齒輪 • 履帶 & 滾輪 • 螺絲置物架 • 變速箱 • 輸送帶 National Instruments Confidential

  20. 選擇馬達/平台 • 根據下列條件: • 解析度 • 行程長度 • 反覆性 • 最大負載 • 馬達種類 National Instruments Confidential

  21. 馬達/平台網上諮詢 • 搜尋超過100個馬達及平台 • 馬達及平台規格比較 • 搜尋馬達控制器與平台連線圖示 • ni.com/motion/advisors National Instruments Confidential

  22. 回饋裝置及極限 應用程式 馬達控制器 放大器 馬達 回饋裝置 National Instruments Confidential

  23. 回饋裝置 • 編碼器 • 增值編碼器 • 類比回饋 • 電位計 • 其他感測器 (扭力, 壓力等…) • 其他回饋來源 • IMAQ • DAQ National Instruments Confidential

  24. 極限及馬達I/O • 用行程極限終點(Limit)來避免馬達控制系統損壞 • 用起點(Home)開關來標示參考點 • 用位置中斷點(Breakpoint)功能輸出作以觸發外部裝置 • 用高速位置擷取功能輸入來獲得與位置相關的數據 National Instruments Confidential

  25. 馬達驅動器或放大器 應用程式 馬達控制器 放大器 馬達 回饋裝置 National Instruments Confidential

  26. 馬達驅動器的要求 • 馬達驅動器要與馬達相匹配 • 例如, 二相式步進馬達需要二相式的馬達驅動器等… • 提供足夠的驅動力: • 電流峰值 -損壞馬達？ • 連續電流值 -扭力大小？ • 電壓 –速度大小？ National Instruments Confidential

  27. NI馬達驅動器 • MID系列(伺服及步進馬達) • 萬用馬達介面 (UMI) 方便用來與他廠牌的驅動器連接 • 網上驅動器推薦 ni.com/motion/advisors 可找到他廠驅動器的資訊 National Instruments Confidential

  28. 馬達控制器 應用程式 馬達控制器 放大器 馬達 回饋裝置 National Instruments Confidential

  29. 馬達控制器的目的 • 板上計算每一個移動命令的軌跡以減少Windows的干擾 • 提供扭力命令給馬達驅動器 • 馬達極限及緊急停止之監視控制 • 閉路PID迴圈 National Instruments Confidential

  30. Velocity Time 一個簡單運動軌跡之特徵 • 一個運動軌跡開始於 起始點位置(SP), 加速度(Acceleration), 持續以目標速度(Target Velocity) 運行一段預設時間, 然後減速至目標位置 (Target Position). National Instruments Confidential

  31. 運動控制的幾種描述方式 • 目標位置,速度,加速度 • 目標位置 (X,Y,Z), 向量速度,向量加速度 • 目標位置A,目標位置B, 調和係數(blend factor) • [多點位置暫存] • 簡單點對點的移動 • 向量點對點的移動 • 連續運動 • 循跡控制/任意路徑 National Instruments Confidential

  32. 基本運動模式 • 點對點位置模式 (範圍和控制器解析度有關) • 梯形加減速 • 絕對或相對目標位置 • 速度模式 • 無限距離永久維持某速度 • 可動態連續改變馬達速度 (Velocity Profiling) • 多軸同步運動 National Instruments Confidential

  33. 基本運動方式 • 簡單單軸點對點運動 • 需要運動目標位置 National Instruments Confidential

  34. 基本運動模式 (定位方式) • 起點(Home)開關 • 硬體開關裝置 • 可設定尋找起點的方向及模式 • 尋找歸零點(Find Index) • 從起點位置開始尋找編碼器的歸零點(Index) • 一般將尋找歸零點的位置定義為該軸的零點 National Instruments Confidential

  35. 速度 速度 加速 減速 時間 進階運動模式 • S 形加減速 • 可減少突然加減速 ( Jerk ) • 需要DSP或靠效能的處理器方能完成 National Instruments Confidential

  36. 進階運動模式 • 向量空間多軸控制 • 直線 2D & 3D 補間 • 平面圓弧、立體螺旋及立體圓弧補間 • DSP 晶片即時計算立方平滑曲面以內插方式進行圓弧補間 z (x2,y2,z2) y (x1,y1,z1) x National Instruments Confidential

  37. Y 軸 X 軸 進階運動模式 • 向量點對點運動 • 需要X 位置及Y 位置 National Instruments Confidential

  38. 進階運動模式 • 高速位置擷取 • 在某個時刻即時偵測馬達位置 • 位置中斷點輸出 • 馬達行經一個預定的位置時輸出一個數位觸發 National Instruments Confidential

  39. Move 1 Move 2 連續運動 ( Blending ) • 連結兩段運動軌跡 ( 直線與直線、直線與圓弧、圓弧與圓弧 ) • 兩段運動軌跡之間可設定減速與否或停留時間 National Instruments Confidential

  40. 連續運動 ( Blending ) National Instruments Confidential

  41. 調和路徑 連續運動 ( Blending ) • 調和運動 • 需要二個向量運動及一個調和係數 Y 軸 原始路徑 X 軸 National Instruments Confidential

  42. 循跡控制 (Contouring Control) 位置 N 毫秒間格 立方平滑曲面 立方平滑曲面允許客制化描述 National Instruments Confidential

  43. 循跡控制 (Contouring Control) • 循跡控制/任意路徑: 由暫存器讀取多點位置 • 需要存放多點的暫存器 Y 軸 X 軸 National Instruments Confidential

  44. 基本運動模式 - ( 電子齒輪 ) Electronic Gearing • 電子齒輪 :隨從齒輪訊號來源隨從齒輪訊號來源: • 另一軸 • 編碼器回授 • 類比回授 軸 1 軸 2 National Instruments Confidential

  45. 1:1 2:1 1:1 基本運動模式 - ( 電子齒輪 ) Electronic Gearing • 主從齒輪架構 • 隨從齒輪訊號來源: • 另一軸 • 任何編碼器 • 任何電壓訊號 • 可動態改變主從齒輪比率 • 動態改變電子齒輪會造成的效應 - 扭力、速度.. Master Position National Instruments Confidential

  46. 下載程式碼 (Onboard Programming) • FlexMotion系列產品才有的功能 • 可在介面卡的微處理器上獨立執行最多十個程式 • 豐富指令集，包括運動控制、數學及邏輯運算、條件及迴路控制 • 在即時作業系統執行，可不受Windows環境影響 • 可將下載程式存放在介面卡的RAM或Flash-ROM上，即使電腦關機仍可保留 National Instruments Confidential

  47. Motion 系列介面卡 • 四軸或六軸、步進或伺服馬達運動控制介面卡 • 提供即時作業環境微處理器及DSP晶片 • 伺服系列：每軸 63 sec PID 控制 • 步進系列：1.5 MHz Step rate • 支援所有基本及進階運動模式 • 完整支援 LabVIEW ,C 及 Visual Basic等應用程式開發軟體 National Instruments Confidential

  48. NI 馬達控制器比較 National Instruments Confidential

  49. NI馬達控制器好在哪裡? • 最簡單的規劃環境 (MAX) • 自動微調精靈 • 與其他硬體同步的進階功能 (IMAQ, DAQ) • LabVIEW簡化程式開發 • 開放的連接能力 National Instruments Confidential

  50. NI 馬達產品網上推薦 • 協助你進行下列選擇: • 適合的控制器 • 匹配的驅動器 • 必備的纜線 • 軟體套件 • ni.com/motion/advisors National Instruments Confidential

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