使用 DAQ 在工業運動控制中達到高速精度

機器人和自動輸送帶等現代工業系統皆仰賴高速、同步的資料，以便發揮最佳化效能、提高效率並促進預測性維護。然而，要以毫秒級精度來擷取和協調位置與運動資料，會面臨重大挑戰。標準數據採集 (DAQ) 系統通常缺乏跟編碼器與計時器即時準確介接所需的專用功能，這可能有損系統可靠性而導致效能瓶頸。

本文概述要在高要求的工業應用中實作高速位置與計時測量有哪些要求。接著會介紹 Advantech 的編碼器計數器／計時器模組，並且說明如何使用其多種編碼器模式和四個高速通道，在機器人和運動控制應用中因應複雜的同步化難題。典型的系統設置搭配相容的軟體工具就可提供清晰的整合途徑。

精確的運動和計時對工業流程的重要性

現代工業系統仰賴複雜、循序的運動，因此協調相當關鍵。試想有個機械手臂，其任務是從移動的輸送帶上揀取元件。為了讓系統正常運作，機器人的運動必須與輸送帶的速度和位置同步。這背後需要毫秒等級的精度，以擷取和協調來自多個來源的資料，這項技術要求頗具挑戰。

DAQ 系統正是克服此難題的關鍵。此系統會從輸送帶的驅動馬達和機械手臂的關節擷取編碼器資料，然後在多個通道上同步處理這些測量數據，以便計算出準確的攔截時機。

為了提升產量，輸送帶的速度也會加快，DAQ 系統也必須迅速進行位置和計時數據的採樣，以避免錯誤。若感測器讀取延遲或遺漏，可能會導致操作時間出錯，甚至機械元件之間發生碰撞，進而造成意外停機與生產力損失。

精密的 DAQ 系統亦可支援預測性維護。例如，速度異常或位置錯誤可能表示軸承磨損或皮帶打滑等問題。藉由訊號分析，設計人員就可在潛在故障造成操作中斷前加以識別。

高速 DAQ 的要求

為了符合這類應用的要求，DAQ 系統必須滿足幾個嚴格的效能特徵：

• 高速、高解析度採樣：擷取精細的運動細節，例如要擷取比毫米更細微的位置變化，就需要高採樣率和精確的解析度。在 MHz 範圍內採樣，可確保即使在高速環境中也不會遺漏任何關鍵事件。
• 同步、多通道採樣：為了協調機械手臂和輸送帶，必須同時擷取其各自的位置和計時數據，而非循序擷取。若試著循序將擷取的數據流彼此關聯，可能會引發錯誤，導致揀取不對的物件，甚至完全遺漏。
• 靈活的編碼器支援：工業系統通常會使用來自不同廠商的元件，因此會混用不同的編碼器訊號類型。DAQ 系統應支援多種編碼器模式，就無需額外的介面邏輯。
• 強固化：工業環境中的電子元件會接觸到電磁干擾、振動和高溫。在這些情況下，必須指定 DAQ 硬體達到可靠操作，以免系統故障。
• 擴充性：DAQ 系統應採用模組化架構，以便設計人員添加更多通道或不同的輸入類型，就可輕易進行擴充。隨著自動化設施的發展，就可支援新機器人、感測器和生產線的整合。

要滿足這些多樣化要求，會是一大設計難題。雖然許多 DAQ 系統都適合一般的數據採集擷取，但涉及高速同步運動的應用，則需要專門的硬體。

運動控制系統用的進階位置與計時測量

Advantech 的 iDAQ-784 高精度編碼器計數器／計時器模組 (圖 1) 專為滿足這些要求而設計。此模組具有四個通用的 32 位元編碼器通道，可支援整個工業系統的同步位置和計時測量。可支援 10 MHz 的最大輸入頻率，能對編碼器訊號達到精確計時。

圖 1：iDAQ-784 編碼器計數器／計時器模組可針對複雜的工業運動應用，在四個 32 位元的通道內達到同步數據採集。(圖片來源：Advantech)

內建數位訊號濾波，有助於 iDAQ-784 提供增強的訊號清晰度和測量準確度。如此就能讓工業機器人、運動控制和高速輸送帶系統等進階自動化應用達到高精度的系統特徵化。

編碼器輸入、測量和輸出模式

iDAQ-784 支援多種輸入訊號類型和測量模式，可因應不同的工業運動控制要求。有四個計數器通道，每一個都可接受單端和差動輸入，共模範圍為 ±15 VDC。此模組可支援三種業界標準的位置測量編碼器類型：

• 正交 (A/B 相)：有兩個反相通道 (A 和 B)，可用於判定位置和方向。特定編碼 (X1、X2 或 X4) 可計算正緣和／或負緣來判定解析度，X4 提供的解析度是 X1 的四倍。
• 雙脈衝 (CW/CCW)：使用獨立的輸入線進行順時鐘 (CW) 和逆時鐘 (CCW) 脈衝。CW 脈衝會讓計數器遞增，CCW 脈衝則遞減。
• 脈衝方向 (已標誌脈衝)：一個訊號會用於脈衝，第二個訊號則指示方向。計數器會依據方向訊號的狀態遞增或遞減。

每個編碼器輸入可接受單端或差動接線，並提供 Z 訊號輸入可用於位置重置。每個計數器通道也支援多種功能模式，可用於計時和脈衝生成：

• 事件計數：計算輸入訊號的正緣或負緣，可選擇閘控
• 頻率測量：使用週期反轉或脈衝計數方法來測量訊號頻率
• 脈寬測量：測量數位訊號的高低狀態持續時間
• 位置測量：使用上述支援的輸入模式來追蹤編碼器位置
• 繼續比較 (位置比較)：當達到位置門檻時會觸發輸出脈衝或中斷
• 單次 (延遲脈衝生成)：在閘道觸發和指定延遲後會輸出單次脈衝
• 計時器／脈衝生成：輸出一道可支援中斷的連續脈衝列
• 脈寬調變 (PWM)：輸出具有可編程高低持續時間的波形；可支援有限或連續生成

因具有多種模式，因此可確保與工業系統中常見的各種裝置相容。

針對工業環境而設計

iDAQ-784 及其周邊生態系統皆可在高要求的工業環境中提供可靠的效能。此模組的額定工作溫度介於 -40°F 至 158°F，相對濕度高達 90% (非冷凝)。

此模組還可抵擋工廠環境中常見的電磁雜訊；內建數位訊號濾波功能，可增強訊號清晰度，且每個通道都支援差動訊號輸入，以達到優異的共模雜訊抑制。

這種設計理念延伸到生態系統配件，因此設計上堅固耐用，符合 DIN 軌道標準，可穩固安裝在工業機櫃內。由於兼具環境耐用性、雜訊耐受性和堅固的實體整合，因此能讓進階自動化應用達到高精度系統特徵。

打造高速、高精度的 DAQ 系統

要打造 DAQ 系統，第一步就是實體連接感測器。此過程首先要將感測器引線連接到端子台。Advantech 的 ADAM-3937-BE 介面模組 (圖 2) 就是符合此用途的現成解決方案。這款 37 腳位端子台專為 DIN 貴到安裝而設計，尺寸為 87.2 mm × 112.5 mm × 51 mm，可輕鬆整合標準型、DB37 相容的工業基礎架構。

圖 2：ADAM-3937-BE DIN 軌道接線板是用於 DB37 相容硬體的通用型介面解決方案。(圖片來源：Advantech)

透過此端子台，訊號可透過 PCL-10137-1E 等纜線組件連結到 iDAQ-784 (圖3)。這款 3.28 英尺、37 針腳的 D-Sub 具有手轉螺絲緊固件，可達到穩固的連接。採用鋁質／聚酯薄膜箔片和編織銅質雙屏蔽結構，可在電磁雜訊環境中確保訊號完整性，是工業運動應用的典型特徵。也有提供長度更長的款式。

圖 3：PCL-10137-1E 纜線組件具有公端 37 針腳 D-Sub 連接器，可介接 iDAQ-784。(圖片來源：Advantech)

iDAQ 模組化生態系統涵蓋多種專用的 I/O 模組和端子台，能讓設計人員依據其特定要求，建構堅固耐用且可擴充的 DAQ 系統。

iDAQ 軟體工具

硬體組裝後，可利用免費的 DAQNavi 軟體開發套件 (圖 4) 對 iDAQ 系統進行編程。DAQNavi 中有一個公用程式名為 Advantech Navigator，能讓設計人員不用透過任何編程，就可對 iDAQ 裝置進行配置與功能測試。還可用來模擬裝置，因此設計人員可在沒有實體 DAQ 裝置的情況下，對應用進行編程和運作，可達到靈活的系統開發。

圖 4：免費的 DAQNavi 軟體環境搭配 iDAQ 系統一起使用。(圖片來源：Advantech)

DAQNavi 可支援採用 32 和 64 位元 Windows 作業系統和幾個常見 Linux 發行版的主機系統。由於 API 可在這兩個平台上的作用相同，因此轉移時無需程式修改，可支援未來的整合。DAQNavi 可相容於許多常用的程式設計語言，包括 C#、C++、Visual Basic、Java、MATLAB 和 LabVIEW，因此有利於使用者採用。

結論

精確的計時和同步對先進的機器人和工業操作來說至關重要，不僅能達到流程最佳化，同時還可讓設備發揮最大的運轉時間與生產效率。Advantech 的 iDAQ-784 模組搭配完整的 iDAQ 生態系統，就可提供堅固耐用且可擴充的解決方案，可滿足這些高效能需求。