眾為興QC驅控一體系統在工業機器人中的應用

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? ? 機器人是近些年很火的一個工業自動化的課題，中國雖然是人口大國，但也慢慢面臨人口紅利的優勢的缺失，近些年來的用工荒可以充分說明這個轉折點；所以中國應該算是近些年以及未來幾年，機器人應用的主場大國；雖然作為需求大國，但談論到機器人的自主制造，卻鮮有國內制造商的身影，這其中一個重要的因素，就是配套機器人的控制系統產品的國內自主品牌還比較缺乏，這不單單是控制問題，還有關鍵的伺服驅動技術問題，這也是今天分享關于眾為興的QC系列驅控一體化技術在機器人領域里面的應用的初衷，通過機器人控制系統來做個拋磚引玉，談談驅控一體系統在機器人行業的應用優勢和需求。

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眾為興QC驅控一體系統讓產品更“迷你”

現代工業設計理念已經不僅僅要滿足功能的需求，還要滿足美學的需求；就像很多年前電腦剛被發明出來的時候像個房子那么大，從產品角度上來說，功能是滿足了，可是如果讓你一直面對這這么龐大的東西，還能有一點人機交互的愉悅性嗎？驅控一體也是如此，隨著3C產業的崛起，越來越多的設備都需要做小，那么原先的電控裝置就顯得很別扭了，這明顯不是一種技術進步。QC驅控一體系統設計理念是設計最“合適的”，然后，讓自己足夠的小，小到可以忽略它的存在；這不只是一種技術理念，更是一種產品理念。

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眾為興QC驅控一體系統既解決體積、成本問題，又解決了高性能控制驅動要求

? ? ??眾為興QC驅控一體系統作為機器人方案的典型驅控一體化技術平臺，除了出眾的空間體積設計外，更重要的保證功能、性能的提升，最大幅度的提升機器人的控制效能。兩個根本指標解釋了如何提升高性能要求：指標1，讓運動控制參與或得到伺服驅動單元電流環的控制運算；指標2，讓伺服驅動器能預知運動控制的規劃信息。這兩點在機器人領域里面尤為相關，所謂機器人的動力學控制正是需要這些關鍵的交互信息。而目前傳統控制方案按照電流環50us的通信周期來看，就算1000M的以太網通信也解決不了這么高速的交互需求，所以QC驅控一體系統使得機器人發揮出了剛高的效能。

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驅控一體化設計對機器人控制的優勢：

驅控一體本質上是一種總線控制系統。但和目前主流的工業現場總線控制系統有著一些本質的區別

• ?雖然驅控一體系統和現場總線系統本身都有信息交換的特點，但考慮到現場總線的外在環境，例如走線，接插件等因素，以及現場總線是串行數據總線，所以面臨的障礙是容易受干擾，總線頻率受限制，施工成本高等。
• l驅控一體技術采用并行總線，由于是內部板載走線，所以普通的接插件均可以滿足動輒十幾二十兆的數據吞吐。
• 外圍成本的對比：為了保障通訊質量，目前工業通訊對線纜的要求普遍較高，帶來的配置成本居高不下，并且額外的配件例如高配的RJ45接頭等都占了不小的比重，但驅控一體技術完全可以忽略連接的成本。
• ?對比通信速率：驅控一體技術是點對點的并行總線，相比輪詢式的串行總線的工業以太網，以8軸的控制為例，驅控一體化技術的通信速率是百兆的25倍（驅控一體是單軸20M Word/sec?，工業以太網是單軸0.78M Word/sec，這還沒算上協議開銷的）；
• 對比同步性能：運動控制最關鍵的是多軸數據同步性，工業現場以太網是通過分布式時鐘補償，各個軸的同步信號可以做到微秒級的抖動。而驅控一體化技術不單單數據總線是并行，同步時鐘線也是并行的，所以同步時鐘的抖動完全是靠FPGA晶振的精度和芯片電氣的延時，輕輕松松達到納秒級別。

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采用分布式CPU構架，更安全的實時控制

• ?和傳統的控制平臺不同，QC驅控一體系統并沒有考慮x86 的PC Base方案，這是因為雖然電腦越來越高速，但真正要做到工業現場的安全、實時要求，基于x86的平臺并不能很好的保證這一點，例如一臺雙核的2G主頻的CPU，卻做不到100us的中斷，1us的延遲抖動的保證；
• ?QC驅控一體系統采用了分布式CPU架構，使得硬件各盡其職。打個形象的比喻，分布式CPU架構就像一個團隊，每個CPU相當一個人的話，每個人都各有所長，但并不是樣樣精通，例如有的適合統籌（運算），有的適合商務接待（GUI）等，通過有序的對話機制來保證項目（產品）的正常運轉。這種架構方案首先從實時角度上來說，一個cpu干一件事就是一種硬實時，保證了方案的可靠性；其次，可以充分利用嵌入式CPU的特性來發揮系統的性，如FPGA適合做高頻的邏輯處理，ARM適合做人機交互，DSP適合做算法運算等，各自發揮各自的特長，從而保證整體的性能更優。

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多樣的電機配置選擇，保障高精度控制要求

• 電機的選擇

不同種類的機器人對電機的要求也不一樣，如SCARA，六關節需要絕對式高精度編碼器，注塑機機械手需要高速低慣量電機特性等。所以對于控制系統而言，電機的選擇就顯得很重要，眾為興QC驅控一體系統通過支持不同的編碼器來有效解決電機選擇問題，目前國內外主流都能支持，如山洋，松下，多摩川，臺達等。

• l??高速精度的控制
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伺服的精度來源于編碼器和位置環的響應頻率，從編碼器角度上來說，QC驅控一體系統通過支持不同編碼器的協議，進而獲取高分辨率的控制，以松下20位的絕對式伺服馬達來說，控制分辨率能達到一百萬分之一圈(1/1048576)，精度相當高。目前已支持了有松下，尼康，多摩川，省線式等常見編碼器。

• l??單獨靠編碼器保證精度還不夠，伺服另外一個指標是高速下的高精。這就要提到伺服的位置環刷新周期了，由于是驅控一體化的結果，所以伺服的位置環刷新周期可以簡單理解為插補周期，以QC為例，最高可以做到16K，以10米/分鐘的速度來算，16K插補周期的插補軸控制精度可以做到0.01mm插補精度，真正意義上的高速高精。這同樣也是驅控一體化技術的優勢，因為16K刷新率只有在內部高速總線上才能輕松實現。

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電機品牌：?

編碼器品牌：??

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??? ?針對于機器人的特殊控制需求

• 搭配控制規劃的伺服可以更好滿足機器人的控制特性

眾為興QC驅控一體系統有著分體式驅動系統沒有的優勢，即它可以將規劃信息帶入伺服控制，如機器人的軸轉矩隨著軸臂的展開，馬達的慣量會發生變化，傳統伺服的速度控制就不太適應這種負載極劇變化導致控制誤差的不恒定。而QC平臺由于可以提前知道速度變化信息，并計算出產生的軸轉矩變化，動態的送入到伺服電流環來達到誤差控制。

• ?眾為興QC驅控一體系統不單單滿足現在的一些控制特性，還迎合了未來一些控制方向；由于可以實時獲取到各個關節的扭力變化，也使得機器人一些控制算法可以發生改變，例如現在研究中的機器人動力學，柔性機器人運動控制等。
• ??QC系列驅控一體系統另外一個亮點是能夠對慣性進行抑制；任何東西停止下來，都會存在慣性力的作用產生偏擺，這不是速度環和位置環能調整解決的。需要在控制方法上有所革新，在驅控一體平臺上，QC系列產品能夠很好實現這種性能，動態中抑制住慣性，實現準停，這在一些機器人視覺方案中尤為重要。

眾為興RC驅控一體系統在各種3C機器人中的應用

目前QC系列有RC400和RC600兩種產品已成功應用于四軸機器手，六軸機械手各種領域，并延伸出一些特種機械手，如五軸注塑機機械手，三軸關節機械手等，驅控一體平臺可以顯現出各種應用場合的適用。

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案例一：水平四關節的SCARA機械手，標準節拍高達3秒，可配合視覺用于分揀，碼垛，鎖螺絲，點膠等應用場合。

案例二：注塑機五軸上下料機械手，直驅式的安裝，能夠消除長臂支桿帶來的抖動。

結束語

本文雖然以機器人作為討論對象來拋出控制系統的需求，進而討論眾為興QC驅控一體系統的技術趨勢，事實上很多的機電一體化產品都有著共性的需求，如注塑機機械手，沖壓機械手等等；機器人是個典型，目前國內也有很多科研和商業公司開展了研究，作為運動控制解決方案商深圳眾為興，QC系列驅控一體化控制系統是從最終產品角度上來考慮運動控制產品的定位和設計，其革新的設計方案或許能對一些有意愿加入這個自動化行業的設計者提供一種思路。