600007 г. Владимир, ул. 16 лет Октября, д. 68А, литер "Ф", этаж 2, помещение 12
+7 (4922) 53-10-31
info@skb-proton.ru

Контроллеры движения: проектировать с нуля или покупать готовые?

Преобразователи частоты

Управление движением похоже на шахматы в том смысле, что на изучение правил уходят минуты (что позволяет создавать очень простые системы индексации), но годы уходят на то, чтобы овладеть способностью выполнять расширенное управление движением. В этой статье будут рассмотрены различные типы контроллеров движения, представленные в настоящее время на рынке, а также плюсы и минусы каждого варианта.

Автор: Джераме Чемберлен • Инженер-технолог, менеджер по производству | Nippon Pulse America Inc.

Основная задача любого контроллера движения заключается в управлении движением мехатронного узла, включая любые двигатели и другие механические компоненты, такие как приводы. Независимо от того, требуется ли управление для простого двухточечного позиционирования или для многоосевых интерполированных перемещений, правильный выбор контроллера движения может оказать долговременное влияние на конечный продукт. Контроллер с недостаточной вычислительной мощностью или возможностями, которые не удовлетворяют потребностям машины в управлении движением, может снизить производительность и возможности этой машины. С другой стороны, чрезмерно мощные или надежные контроллеры могут увеличить ненужную стоимость системы.

Выбор контроллера движения может быть сопряжен с определенными трудностями, поскольку они различаются по сложности и возможностям — от очень простых систем индексации до полноценных систем управления движением.

Система индексации — это категория контроллеров, используемых для простого управления положением или скоростью с очень небольшим количеством других функций, если таковые вообще имеются. Системы индексации по большей части не имеют (или очень ограничены) управления ускорением, что ограничивает количество заданных скоростей и типов ускорения, которые могут быть использованы. Ключевой особенностью индексаторов является то, что они очень недорогие, поскольку обычно состоят из микропроцессора с ограниченным объемом кода. Эти простые системы стали очень популярными на рынках хобби и производителей благодаря доступности программного обеспечения с открытым исходным кодом, которое упростило индексацию проекта.

Однако одним из недостатков использования системы индексации является то, что, хотя генерировать команды скорости и направления просто путем переключения выходов на микропроцессоре, для освоения более сложных профилей движения требуется больше времени и опыта. Это связано с тем, что системы индексации на самом деле не предназначены для функционирования в качестве полноценных контроллеров движения.

Системы индексации обычно используются для двигателей со встроенным контроллером и приводом, иногда называемых интеллектуальными двигателями. Индексаторы также очень часто встречаются в приводах одноосных двигателей и некоторых приводах интегральных схем (ИС).

На другом конце спектра контроллеров находятся полноценные системы управления движением. Эти контроллеры могут управлять двигателями на высоких скоростях и позволяют регулировать скорость несколькими способами. Они используют входы и выходы для мониторинга основных факторов безопасности, таких как аварийные остановки, торможения, ограничение скорости в конце пути, самонаведение и множество других функций. Входы и выходы также обеспечивают простую логику управления станком и расширенные функции, такие как многоосевое управление, координация движения, предварительное буферизованное перемещение, изменение скорости, смещение положения и множество других расширенных функций.

Полноценные контроллеры движения можно разделить на две основные категории — разработанные с нуля или детские кроватки.

Контроллеры движения, разработанные с нуля, являются наиболее популярным вариантом для производителей оригинального оборудования (OEM-производителей), которые обычно выпускают контроллеры в больших количествах. Эти элементы управления построены из дискретных компонентов и изготовленной на заказ печатной платы (PCB). Создание собственных систем позволяет производителям настраивать свои контроллеры только с учетом специфических функций, используемых их оборудованием, что сокращает количество компонентов (и, в конечном счете, стоимость), используя только то, что необходимо для конкретного применения.

Основные используемые компоненты или микросхемы делятся на две основные категории:

Стоимость компонентов для этих двух вариантов очень схожа. Однако устройство ASIC считается более безопасным выбором конструкции, поскольку конструкция и алгоритм управления двигателем проверены временем. Поскольку алгоритмы, используемые ASIC-устройством, полностью закодированы в самом полупроводниковом устройстве и не используют отдельную программу, алгоритм может работать намного быстрее, чем запрограммированное устройство общего назначения. Кроме того, у хакера нет возможности скорректировать алгоритм позже, потому что это встроенное устройство, которое нельзя изменить с помощью программирования.

С другой стороны, программируемые устройства общего назначения являются более гибкими благодаря тому, что их можно запрограммировать на гораздо большее, чем просто создание профиля. Некоторые устройства общего назначения даже предлагают “блоки кода” в качестве базовых указателей движения, которые обеспечивают ограниченные возможности управления движением. Эти блоки кода должны быть адаптированы разработчиком для добавления расширенных функций, необходимых для каждого приложения. Поскольку это запрограммированные устройства, хакеры могут получить к ним доступ и перепрограммировать их, поэтому они, как правило, не считаются безопасными. Устройства общего назначения работают медленнее и подвержены прерываниям со стороны других процессов, что не является проблемой для ASIC-устройств.

Как ASIC, так и устройства общего назначения нуждаются в поддерживающем микропрограммном обеспечении и схемотехнических решениях, для чего также требуются опытный программист и инженер-электронщик. Для устройств общего назначения требуется программист, имеющий опыт настройки и проектирования программируемого устройства. Кроме того, усовершенствованное управление движением требует специального инженерного опыта. Даже при наличии полноценной команды инженеров разработка контроллера движения с нуля может быть очень медленной. Устройство управления движением ASIC позволит командам инженеров-проектировщиков быстрее выйти на рынок, поскольку алгоритм управления движением уже полностью протестирован и готов к запуску.

Поскольку производительность устройств общего назначения определяется рынком, который всегда стремится к более высокой производительности, они, как правило, имеют гораздо более короткий жизненный цикл, чем устройства ASIC для управления движением. В любом случае, окончание срока службы ASIC или устройства общего назначения требует полной модернизации.

Готовые или коммерческие готовые блоки (COTS) — это системы, которые уже прошли процесс проектирования с нуля, описанный выше, и готовый комплект продается как готовое устройство. Кроме того, встроенное ПО и схемы полностью проверены и готовы к использованию.

Эти системы обычно продаются в виде автономных блоков, ПЛК или конструкций на уровне платы ПК. Самый большой рынок для этих типов контроллеров движения — это приложения для внутренних устройств, и они широко используются разработчиками машин и небольшими производителями оборудования.

Основные преимущества автономных контроллеров движения включают в себя:

Недостаток готовых устройств:

Путь OEM-производителя к разработке дизайна контроллера движения с нуля может быть долгим и медленным, и мы наблюдаем рост числа OEM-производителей, использующих готовые контроллеры движения для проверки дизайна, потому что их легко запрограммировать и запустить в работу. Однако, как только оборудование было спроектировано на основе готового контроллера движения, система должна продолжать использовать готовую систему, даже несмотря на ее более высокую стоимость, или же быть полностью переработана в пользовательскую систему, созданную с нуля.

В настоящее время не существует продукта, который устранял бы разрыв между контроллерами движения, разработанными с нуля, и контроллерами движения COTS. Когда мы смотрим на рынок, возникает потребность в полноценном контроллере движения, простом в использовании, с проверенным дизайном и по цене, которая является экономически выгодной для приложений большого объема. Даже являясь переходом от готового продукта к проектированию с нуля, промежуточный продукт предложил бы быстрый путь к индивидуальному управлению с гораздо более коротким циклом проектирования.

Следующие люди внесли свой вклад в эту статью: Саша Маркрофт, вице-президент Motion Group и территориальный менеджер Western Automation Inc.; Брайан Макморрис, президент Futura Automation LLC; и Кевин Макниколас, вице-президент по развитию каналов продаж Allied Motion Technologies Inc.

Японский пульс в Америке вскоре мы представим новую категорию мощных и гибких контроллеров движения, чтобы ликвидировать разрыв на рынке движения. Безопасная, простая в использовании гибридная микросхема называется Командирское ядро, и построен на базе ASIC Nippon Pulse PCL6045BL, чтобы объединить преимущества конструкций COTS с возможностью настройки ASIC-контроллеров «с нуля» и ПЛИС-контроллеров. Commander будет продаваться как готовый контроллер движения, который устраняет необходимость в приобретении компонентов у дополнительных поставщиков, а также не будет зависеть от срока службы других компонентов (и от масштабных изменений продуктов в полевых условиях, которые обычно влекут за собой такие сроки службы).

Для производителей оборудования Commander core послужит экономически эффективным инструментом, позволяющим увеличить объемы производства с минимальными затратами времени на проектирование и поддержку. Это сократит время разработки для сегмента контроллеров движения «с нуля», поскольку системы могут быть быстро протестированы с помощью Commander Development Kit, который включает в себя плату разработки и основной модуль. Затем производитель может включить само ядро в свой окончательный дизайн печатной платы на заказ.

Контроллеры движения будут пригодны для использования в оборудовании для 3D-печати • автоматизации лабораторий • текстильных машинах • печатных станках • игровых автоматах • оборудовании для медицинской визуализации • малой робототехнике • фрезерных станках с ЧПУ • сварочном оборудовании • оборудовании для производства полупроводников • и торговых автоматах.