多軸運動控制器
題目：
以CAN Bus為基礎的分散式
即時伺服馬達控制器之設計與實作
研 究 生：廖建龍
指導教授：胡竹生 博士
課程名稱：運動控制概論
學生姓名：林冠廷
班
級：控晶四乙
學
號：4982C098
授課教師：王明賢

摘要
由於近年來多軸運動控制對產業界自動化生產扮演
越來越重要的角色，應用面也越來越廣泛，如CNC工具
機、放電加工機、工業機器人及半導體製程設備等，皆
需要一高效能精密運動控制器來實現。而應用分散式即
時網路技術來達成多軸同步運動控制，已成為目前伺服
驅動發展的趨勢。結合網路技術與伺服馬達的運動控制，
遂發展成即時網路控制系統。
• 研究動機與目的
隨著微處理器功能不斷提升與價格的不斷降低，使
得其應用也越來越普及。將微處理器應用於伺服控制系
統，其快速的計算能力及智慧型的軟體規劃能力，使得
我們可以更有彈性的設計控制器，獨立的對各軸伺服器
進行控制。這種不同於傳統多軸運動控制，而利用單一
組件進行獨立控制的觀念，發展出一套新的控制架構，
稱之為分散式控制(Distributed Control)。
分散式控制系統存在著一個重要的問題，就是各單
元間的通訊問題。本篇論文利用CAN Bus建構出一週期
式的通訊協定，主要是針對多軸的運動控制系統而設計
的。
• 研究背景與發展現況
運動控制系統由於須處理的訊號十分繁複，從路
徑規劃計算、人機監控程式以及系統的自我診斷，乃至
於多迴路的伺服控制器、PLC的周邊控制等，在資料的
運算量非常的龐大。在早期CPU功能不夠強的情況下，
往往無法應付如此繁複的運算，為了改善效能，許多單
晶片的運動控制卡因應而生，PC+運動控制卡的運動控
制系統逐漸成為市場上的主流。
• 本研究之貢獻
1.可因應不同需求彈性調整系統組態。
2.系統擴充性增加。
3.各單元間各自獨立，模組化設計更為容易。
4.提供各伺服模組的即時與同步協調控制。
5.系統具有多工處理能力，使系統執行更有效
率。
6.系統中某一單元發生錯誤時，不致造成整個
系統的損壞。
7.可靠度高，減低錯誤維修的困難度。
8.開放式網路架構，使用者可有不同的來源選
擇。
• 系統架構
本篇論文提出一以CAN Bus為基礎之即時工控網路架構，
整個架構如下圖系統架構圖所示：
• 主要硬體設備
DSP EVM板：
為整個EVM板的設計概觀圖，主要包括了DSP
TMS320F243、FPGA、SRAM、RS232 Transceiver及CAN
Bus Transceiver等部分。主要負責的工作，包括對馬
達的控制與各EVM板間資料的傳輸。其中，資料的傳輸
部分是利用CAN Bus以EXTENDED FORMAT在baud rate為
1Mbits/s的速度進行傳輸。
驅動程式模組：
Taunix的驅動程式依據Unix
的switch table來定義，設計出
d_open()、d_close()、d_read()、
d_write()及d_ioctl()等五組輸
出入的介面規格，藉由一致性的
介面規格，來保證控制程式的可
攜性與輸出入重導向的應用。另
外，Taunix亦支援回呼(call
back)功能，以提供應用程式的快
速溝通，與實現非同步輸出入的
能力。回呼函式也可用作中斷處
理函式的延伸，加強現有中斷處
理函式的功能，而不必重新設計
中斷處理函式。驅動程式模組架
構如下圖所示。
CAN Bus介紹
CAN Bus為Controller Area Network Bus的縮寫[21]，
是一種支援分散式即時控制，並且具有高安全性的序列
傳輸通訊協定，傳輸速度最快可達1 Mbits/s。根據
ISO/OSI參考模型，CAN Bus可以細分為幾個不同層：
• Data Link Layer：
1.Logical Link Control (LLC) sublayer：提供資料
傳輸和遠端資料要求的服務，並且決定接收哪一個訊號。
2.Medium Access Control (MAC) sublayer：實現傳
輸通訊協定，包括控制傳輸資料的架構、執行仲裁、錯
誤檢查、錯誤處理及錯誤的限制。
• Physical Layer：定義如何將每個位元逐一送出，並
且處理傳輸同步、字元編碼及字元傳輸時間等事件。
系統實作
軌跡計算
軌跡的計算，利用T型、S型兩種加減速，提供點對點、
直線和圓弧三種軌跡的計算[23]。
加減速的目的
在於讓運動軌跡的執行更為平滑，減少對機構的傷害。
圖4.1為T型加減速，Jerk在連接點之間會有無限大
的脈衝響應，對機構而言是突然極大的加速度改變，會
造成衝擊而振動，對機台的精度和使用壽命都有不力的
影響。
圖4.2為S型加減速，Jerk為連續的有限值，所以對
於馬達的力矩輸出與減低機台振動都有明顯的改善。
T型加減速原理推導
已知的條件為：末速 Vf 、加速時間 TA 和路徑距離S。
如圖4.3所示，我們可以將加速段與減速段合併成一個
矩形來看，則時間 。整個路徑軌跡可以分成三個區段
來計算—加速段 、等速段 及減速段 。
S型加減速原理推導
已知條件與T型加減速相同，包括末速Vf 、加速時
間TA和路徑距離S。如圖4.4所示，整個路徑軌跡可分成
五個區段—加速段I 、加速段II 、等速段 、減速段I
和減速段II ，其中 。
防錯措施
我們設計PC端利 TEST FORMAT、WORK FORMAT
用 RS232 傳 送 資
料 的 格 式 如 圖 JOG FORMAT
4.5 所 示 ， 可 分
為 TEST FORMAT 、
MOTION FORMAT
WORK FORMAT 、
JOG FORMAT 、
MOTION FORMAT
及 ACK FORMAT 五
種 ， 以 便 讓 DSP
端做為命令的判 ACK FORMAT
斷與提供防錯的
機制。
1st
byte
Cmd_Type
1st
2nd
3rd
4th 5th
byte
byte
byte
byte
Cmd_Type
Axis
Dir
Sum
1st
2nd
3rd
4th 5th 6th
7th 8th 9th
byte
byte
byte
bytes
bytes
Cmd_Type
Last_Send
Data_Num
P_Arg
Last 2
bytes
Data Field
Sum
1st
2nd
3rd 4th
byte
byte
byte
Cmd_Type
Ack
I_Arg
Sum
圖 4.5 PC to DSP 之資料格式
人機介面
我們利用Borland C++ Builder 3.0設計一人機介面，
以提供使用者方便操作本系統。圖4.6為針對兩軸的系
統所設計之人機介面整體概觀圖：
Paint Field
圖 4.6 人機介面
軌跡運動模式
使用者利用PtP、Line、Arc及Program Operation
Interface，從PC端送出MOTION FORMAT的命令，讓系統
進入軌跡運動的模式。在軌跡運動模式下，DSP MASTER
必須即時地並行處理與PC、SLAVE之間的通訊及對馬達
進行控制；而DSP SLAVE除了對馬達作控制外，還需要
同時與MASTER進行資料雙向的傳輸。針對這些工作的處
理，我們設計利用Time Triggered Protocol[24][25]
[26]來實現。
什麼是Time Triggered Protocol呢﹖簡單來說，
就是在固定的時間，規劃執行特定的工作。圖4.21為我
們設計在CAN Bus上，每個時間必須處理的工作；圖
4.22為在RS232上規劃出每個時間必須執行的動作。
系統狀態分析
整合4.3節工作流程與4.4節錯誤處理，我們繪出系
統工作狀態圖4.27，目的在方便使用者從PC端監控介面
上顯示的系統狀態，了解目前系統工作進行的方式，與
下個步驟使用者該如何操作。另外此狀態圖，亦提供離
散事件系統邏輯模型, 方便邏輯控制器和監控器之合成。
實驗數據
5
圖4.29為模擬CAN
Bus斷線後，系統繼續
執行圓運動的軌跡，可
看出所設計之加減速效
果，且不影響原運動軌
跡。
x 10
°¨ ¹ F¹ ê»Ú¹ B°Ê- y¸ ñ(CAN BusÂ_½u«áÄ~Äò°õ¦ æ)
4
4
3
Y¶b
2
1
0
-1
-2
8
x 10
X¶b¦ ì ² ¾
4
5
-3
7
-4
-2
5
3
0
2
4
pulse
pulse
Y¶b¦ ì ² ¾
4
4
6
3
1
-2
0
-3
1000
2000
3000
4000 5000
sample
6000
7000
-4
8000
4
6
8
X¶b
x 10
0
-1
0
2
1
2
-1
x 10
0
1000
2000
3000
X¶b³ t«×
4000 5000
sample
6000
7000
8000
6000
7000
8000
Y¶b³ t«×
50
60
40
40
pulses/sampling_time
pulses/sampling_time
30
20
10
0
-10
-20
-30
20
0
-20
-40
-40
-50
0
1000
2000
3000
4000 5000
sample
6000
7000
8000
-60
0
1000
2000
3000
4000 5000
sample
4
下圖為系統利用圓、直線、點對點軌跡畫出之組合圖形。
結 論
在PC-Based控制器興起之前，整個工具機的市場幾
乎完全由幾個大廠如FANUC所把持，整個系統從馬達、
伺服驅動器、PLC、運動控制器到CAD/CAM的設計，全部
採集中式的控制架構，規模涵蓋整個系統，使得其他廠
商完全沒有插手的餘地。
應用於分散式控制系統架構的控制網路中，目前以
SERCOS發展最為成熟，是目前對於運動控制系統在軟體
通訊協定上定義最為完全的工業網路。但是由於SERCOS
利用光纖傳輸，使得價格偏高，另一方面在國內的相關
資源不易取得，因此在市場上的佔有率不是很高，無法
普及的應用於工業界。
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