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運動控制 (6554 views - Mechanical Engineering)

運動控制(Motion control)是自动化技术的一部份,是指讓系統中的可動部份以可控制的方式移動的系統或是子系統。運動控制中的主要元件會包括運動控制器、功率放大裝置、以及原动机(prime mover)或致動器。運動控制可以是沒有運動訊號回授的開迴路控制,也可以配合運動訊號回授,進行閉迴路控制。在開迴路系統中,控制器會透過功率放大裝置傳送訊號到原动机或致動器,但無法知道致動器是否有達到預期進行的動作。典型的系統包括步進馬達或是風扇控制。若是要求準確度更高的系統,會在系統中加入量測設備(一般會在致動器端,或是致動器要到達的目的端)。再將量測結果轉換成信號,送進控制器中,由控制器再調整致動器的動作,使致動器的動作和預期進行的動作之間的誤差降到最小,這就是閉迴路控制。 機器的位置或是速度一般會由液壓泵、線性致動器或是電動馬達(例如servo)之類的設備所控制。運動控制是机器人及CNC機床的一部份,而其中的運動控制會比較複雜。若是一般固定用途的機器,其运动学會比較簡單,這類的控制會稱為通用運動控制(GMC)。運動控制常用在包裝、印刷、紡織、半导体器件制造及生產線。 運動控制包括了所有和物體移動有關的科技,其系統最小有小到微型的系統,例如矽基的微感應致動器,最大則到到太空船的發射。不過現今運動控制主要著重在配合電動致動器(例如交流或是直流的伺服馬達)的運動控制系統。機器手臂的控制也是運動控制中的一環,因為大部份的機器手臂都是由伺服馬達所控制,而其主要目的也是在運動控制。
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運動控制

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運動控制(Motion control)是自动化技术的一部份,是指讓系統中的可動部份以可控制的方式移動的系統或是子系統。運動控制中的主要元件會包括運動控制器英语motion controller、功率放大裝置、以及原动机(prime mover)或致動器。運動控制可以是沒有運動訊號回授的開迴路控制,也可以配合運動訊號回授,進行閉迴路控制。在開迴路系統中,控制器會透過功率放大裝置傳送訊號到原动机或致動器,但無法知道致動器是否有達到預期進行的動作。典型的系統包括步進馬達或是風扇控制。若是要求準確度更高的系統,會在系統中加入量測設備(一般會在致動器端,或是致動器要到達的目的端)。再將量測結果轉換成信號,送進控制器中,由控制器再調整致動器的動作,使致動器的動作和預期進行的動作之間的誤差降到最小,這就是閉迴路控制。

機器的位置或是速度一般會由液壓泵英语hydraulic pump線性致動器英语linear actuator或是電動馬達(例如servo英语servomechanism)之類的設備所控制。運動控制是机器人CNC機床的一部份,而其中的運動控制會比較複雜。若是一般固定用途的機器,其运动学會比較簡單,這類的控制會稱為通用運動控制(GMC)。運動控制常用在包裝、印刷、紡織、半导体器件制造及生產線。

運動控制包括了所有和物體移動有關的科技,其系統最小有小到微型的系統,例如矽基的微感應致動器,最大則到到太空船的發射。不過現今運動控制主要著重在配合電動致動器(例如交流或是直流的伺服馬達)的運動控制系統。機器手臂的控制也是運動控制中的一環,因為大部份的機器手臂都是由伺服馬達所控制,而其主要目的也是在運動控制[1]

簡介

運動控制系統的基本架構會包括以下幾項:

若是需要各運動控制器協同動作,運動控制器和其致動器之間的介面非常重要,有良好介面才能達到不同運動控制器的同步。最早期的介面只有類比訊號,後來也有使用脈衝信號,後來有許多運動控制的工業通訊協定,最早用在運動控制上的是1991年的SERCOS英语SERCOS interface,現在已提昇為SERCOS III英语SERCOS III。其他常用的通訊協定有MODBUSEtherNet/IP Profinet IRTEthernet Powerlink英语Ethernet PowerlinkEtherCAT

常見的運動控制功能有:

  • 速度控制。
  • 位置控制:由上位控制器持續的提供位置命令,讓系統的輸出追隨位置命令。
  • 點對點的位置控制:上位控制器只提供目的的位置,系統需自行計算運動的軌跡,有幾種計算的方式,多半是依三角形、梯形或S曲線的運動速度廓线(velocity profile)為基礎。
  • 壓力、力或是力矩的控制。
  • 阻抗控制英语Impedance control:這類控制應用於和環境有交互作用,以及控制物體的情形下,例如機器人學。
  • 電子齒輪或是電子凸輪:從動軸的位置和主動軸位置之間的關係可以用數學函數來表示。簡單的是一系統中有二個滚筒,但其轉速需維持一定比例(即為電子齒輪)。電子凸輪的情形類似凸輪,從動軸的位置是主動軸位置的數學函數(例如主動軸150至180度時,從動軸從0度轉至30度,180至210度時,從動軸從30度轉至0度,主動軸在其他位置時,從動軸維持在0度的位置)。

參考資料

  • Tan K. K., T. H. Lee and S. Huang, Precision motion control: Design and implementation, 2nd ed., London, Springer, 2008.
  • Ellis, George, Control System Design Guide, Fourth Edition: Using Your Computer to Understand and Diagnose Feedback Controllers

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