動作控制軌跡：良好、優異與最佳

動作控制是一種控制馬達效能參數與負載的技藝，以盡可能達到設下的目標。說的容易，但其實背後變數很多：您想要控制的參數屬性為何；位置、速度、加速度或急跳度 (加速度的變化)？首要目標是達到準確位置或速度？最佳解決方案是指盡可能在所需準確度下越快達到目標嗎？若有過衝的情況呢？負載變化時該如何？在電源效率以及不可避免之故障 (如失速) 的處理上又是如何？

要達成上述所有目標，一點也不簡單，尤其是目標之間有時是彼此衝突的。絕大多數操作都是由馬達的動作控制器所負責。此控制器是控制系統的「大腦」，會實作專為應用目標而設計且微調的演算法。這些演算法也必須考量馬達類型，有可能是步進、有刷、無刷 DC (BLDC) 或 AC 等類型。演算法也要考量負載的本質 (固體、液體、粉末、齒輪、軌道)，以及任何連接與後座力。

控制器會搭配馬達驅動器運作，其中含有電源裝置 (如 MOSFET)，會依據控制器的指示調節電流到馬達。請注意，兩者所負責的工作有些重疊，有些驅動器也有基本的控制器功能，有些控制器則納入低功率的 MOSFET。

從良好的軌跡開始

要讓馬達到達所需之處，最顯而易見的方法就是「灌入」電力、盡可能讓馬達加速到最高速、保持該速度，接著在馬達到達所需端點位置或速度時停止 (圖 1)。

圖 1：最簡單的馬達動作管理策略就是以盡可能最高的速率加速馬達，直到抵達所需端點，接著突然停止。(圖片來源： Trinamic Motion Control GmbH)

此做法稱為梯形軌跡，有其作用且廣泛應用，但在許多應用中卻不能接受。例如，在起動與停止的過渡期間，從零加速到最高速所引起的大急跳度，會讓液體搖晃並潑濺；此外，通常也會有無法接受的過衝情況，因為現實中的馬達及其負載不會立即停止。

達到更優異的軌跡

標準的改進方式是在起動和運轉階段以及運轉和停止階段之間添加適度的過渡。此做法稱為 S 型曲線軌跡 (圖 2)。

圖 2：S 型曲線軌跡可讓停止與運轉階段之間的速度過渡點，以及逆轉動作更加圓滑。(圖片來源：Trinamic Motion Control GmbH)

S 形部分該多尖銳或圓滑，以及該在整個軌跡中持續多久，需視應用、負載與系統優先考量點而定，同時也要在諸多效能目標與限制之間權衡取捨。

此外，將急跳度降至最低有個很好的理由：高急跳度值會傾向引發負載振盪，因為會在動作軌跡頻譜中增添更多頻率，而其中有可能有一或多個頻率會跟系統的自然諧振頻率相符。這種振盪的實際影響從惱人的噪音一直到有害甚至破壞性的振動都有。

因此，任何這類振盪 (不同於更簡單但同樣不想要的過衝情況)，通常是不能接受的。

追求「最佳」軌跡

基本的 S 型曲線是有效，但可能無法提供可在應用中發揮最佳效果的動作軌跡。原因出在馬達的動力學、負載的連接，以及負載本身，會讓最初簡單的運動模型大幅複雜化。

受控制的馬達類型會讓情況更加複雜。此外，若添加回授感測器進行閉迴路控制，則有可能達到更高精密度與更快的反應，但這需要使用更先進的控制策略，例如比例性微積分控制 (PID) 演算法。

有個方法可提供 S 型曲線與更進階的控制，就是採用微處理器搭配增強的數字處理能力，藉此即時實作所需的方程式，並由其他專門針對動作控制而設計的一體式硬體功能與特點進行支援。這些應用最佳化的處理器可執行動作控制軟體，通常是由處理器廠商提供。

舉例而言，Texas Instruments 的 C2000 系列就瞄準此應用，並含有 F28M35H52C1RFPS、C28x/ARM Cortex-M3 系列微控制器，搭配 32 位元雙核心處理器，速度為 100 MHz，具有 512 KB 快閃記憶體、2 KB RAM、一排通訊埠的支援。

此處理器僅是本解決方案為應用演算法量身打造的一部份，Texas Instruments 更針對 C2000 架構馬達控制提供兩種不同的途徑。數位馬達控制 (DMC) 資料庫是一組龐大的馬達控制軟體建構模塊，是多年來累積而成，且假定使用者可自行開發出最佳化的控制迴路微調。此資料庫含有基準系統範例，可在硬體評估模組上取得，有經驗的馬達控制工程師能以此做為起點。

相較之下，若是對動作控制領域經驗有限的設計人員，TI 的 InstaSPIN 馬達控制解決方案也可取用高效能演算法，同時對於開發進階解決方案時所遭遇的諸多現實難題皆可加以簡化。含有自動化自行微調，可能不比使用者最佳化的好，但對於應用來說也算夠用。

其他廠商也有提供獨立式 IC 與完整的 PC 板模組，且通常會搭配已經用完備動作控制演算法完整預先編程的相關馬達驅動器，但即便如此，使用者仍可設定關鍵參數並提供客製化軌跡。有個良好的例子是 Trinamic Motion Control GmbH 的 TMC5041-EVAL 評估板，其具有 TMC5041-LA-T 雙控制器／驅動器，可進行步進電源管理 (圖 3)。

圖 3：步進電源管理用的 TMC5041 雙控制器／驅動器位於 TMC5041-EVAL 評估板上，其中含有完備的嵌入式動作控制演算法與功能，並支援關鍵工作參數的使用者可編程性。(圖片來源：Trinamic Motion Control GmbH)

TMC5041 含有眾多功能，例如彈性斜坡產生器，可針對進階步進馬達驅動器進行自動目標定位，並可確保無噪音的運作，並達到最高效率與最佳馬達扭力。還有其他預編程功能，包括針對馬達反電動勢 (BEMF) 的變化進行調適，此變化是因為加速度與減速度所造成，需要更快速的調節來因應。如此一來，使用者就可調整相關設定 (指定的 PWM_GRAD) 並進行最佳化，以盡可能達到最快速的加速度與減速度斜坡 (圖 4)。

圖 4：TMC5041 的完備程度可由使用者指定的電流驅動值設定看出，可藉此確保達到最快速的加速度與減速度，並伴隨明確的效能與最小的過衝。(圖片來源：Trinamic Motion Control GmbH)

結論

有效的動作控制與軌跡管理需要在位置、速度與加速度之間仔細權衡，同時提供準確度與明確的效能。透過完備的動作控制器來設定關鍵參數，以便電流與電壓驅動馬達，即可達到優異的準確度與精密度，並具有快速反應能力。

動作控制器可透過高效能微處理器中執行的演算法來實作，或透過專用裝置來實作，其經過預先編程，具備嵌入式韌體，能讓使用者調整並微調進階效能的工作點。

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1：C2000™ 即時控制微控制器的數位馬達控制法

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2：使用無感測向量控制搭配 BLDC 與 PMS 馬達來達到精密的動作控制

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3：使用專門 MCU 來簡化動作控制設計

https://www.digikey.com/en/articles/use-specialized-mcus-to-simplify-motion-control-design

4：進階動作控制

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