運動控制器核心的關鍵抉擇：該自主開發控制器，或選用成熟的市售平台？
新產品設計的時機再次來臨，您的最終目標是及時推出一款全新的機台進入市場，最重要的是，您需要一個運作穩定性極高的解決方案，您已經完成了關於效能與技術規格的深度研究，並且精確了解需要將哪些新技術整合到您的機台之中，以滿足特定市場的需求，您的核心價值在於知道如何利用團隊的專業知識，將這款新工具打造成技術領先的尖端解決方案，最後，您對於市場願意為這款新機台支付的價格區間已有明確目標。
然而，許多關鍵問題依然存在，這次的全新開發案，您需要從零開始建構，還是能夠大幅升級現有機台，使其與市面上既有的產品產生顯著的市場區隔，您能重複使用上一代機台的零件，例如機體框架和電控箱，您是否需要透過增加可程式化邏輯控制器 (PLCs) 和額外的輸入/輸出 (I/O) 設備，為更高層級的智慧自動化預留擴充空間。
- 您過去所使用的控制器，是否足以勝任控制這台更新、更快、更精確的機台，儘管開迴路步進馬達在過去的應用中已能滿足需求，現在您是否需要深入研究閉迴路控制架構以提升精度與動態響應？
- 是否需要提高編碼器解析度以適應此機台在精密加工或量測上所需的更高精度？
- 公司內部是否有足夠的專業知識與資源，能夠及時為此機台設計並創建一套全新的控制器？
- 採用市面上的現成控制器，是否會讓您的競爭對手輕易複製您的核心技術與設計？
- 您能否對現成控制器進行深度客製化，以保護您的智慧財產並使您的機台在競爭中脫穎而出。
這些問題的確不容易回答，而且答案會因不同機台的定位與複雜度而異，由於控制架構是新機台最關鍵的核心要素，選擇錯誤的平台不僅可能注定您的專案失敗，更可能需要採取一些耗費資源的權衡措施，而這些措施會直接增加成本並對效能產生負面影響，通常，一旦為了遷就平台限制而建立了這些權衡措施，它們就會在後續的產品迭代中被保留下來，改變的恐懼在於，擔心可能會出現其他未知的問題，需要在系統的不同部分採取類似的權衡措施，這種慣性與恐懼，使得未達標準的解決方案被沿用於更新的開發案，甚至可能嚴重束縛機台未來的效能提升與功能擴展。
新的技術發展讓您得以重新評估過去的決策並加以改進，轉換控制平台的成本未必如想像中那麼高，而其帶來的效益，例如：開發效率的提升與系統效能的優化，通常可以在專案初期就明確實現。
然而，必須認知到，擁有做某件事的技術能力，並不等同於擁有完成它所需的全部資源，建立在一個堅實、可靠的基礎之上，將使您的工程師團隊能夠專注於他們最擅長的事，也就是為您的系統應用增加獨特的價值，而不是在底層架構上重新發明輪子。
內部開發與委外採購
市面上有各式各樣的微控制器與晶片組開發套件，讓開發人員可以從頭開始設計並打造一個完整的控制架構，而專門的運動控制公司，則是運用相似的晶片組技術，為終端使用者提供一個預先建置好的開發環境與經過驗證的底層控制架構，讓使用者能夠在不需擔心底層框架穩定性的情況下，專注於機台應用的程式設計，這兩種路徑的差異，在開發時間與資源投入上有著極為顯著的區別。
在內部進行開發確實能讓您對所有環節擁有完全的掌控權，它創造了一張空白畫布，讓您得以隨心所欲地進行任何功能的開發，然而，這種極致的自由度，其代價是更為漫長的開發週期（包含硬體選型、韌體編程與軟體整合），您將需要花費大量時間來開發作為應用流程基礎的框架與架構，所有特點，從匯流排相容性到控制訊號的產生與同步，都必須從零開始創建，雖然可以利用開源函式庫來加速部分開發工作，但如何將這些來源不同的套件完美整合，並確保所有部分協同穩定運作，將是這項工作的核心挑戰，同時，對這些不同套件的授權模式與合規性進行管理，也將成為一個必須面對的考量點。
反之，使用一個現成的解決方案，若其因為無法修改以滿足您的特定需求或規格，而需要您反過來費力遷就，同樣令人困擾且不符期望，將自己鎖定在一個僵化的控制方案，或是一個因形式、尺寸或功能適用性難以配合您需求的設計，都會衍生出額外的修改需求與潛在風險。
一個更為理想的整合方案，是讓您能夠在一個經過市場驗證、運作穩定性高的控制環境中，建立並運行您自己的客製化演算法，您所創建的這些客製化演算法應該受到加密保護，以防終端使用者或競爭對手對您的核心程式進行逆向工程，這種方式實現了兩全其美的結果：您既可以保護您的智慧財產權，又無需擔心那些平凡（卻極其複雜）的底層控制問題整合，例如匯流排拓撲的管理、放大器整合的複雜性與高階伺服控制迴路的實現。
自主開發 vs. 現成平台：關鍵決策點比較
為了更清晰地呈現兩者的差異，以下整理比較表以供參考：
比較項目 |
自主開發控制器 |
採用現成平台 |
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開發時間 |
漫長，涉及硬體、韌體、軟體的完整開發週期 |
迅速，可直接進入應用層開發，大幅縮短上市時間 |
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初期成本 |
硬體採購成本較低，但研發人力與時間成本極高 |
平台採購成本較高，但可節省大量研發人力與時間成本 |
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控制彈性 |
極高，可完全依需求從零打造所有功能 |
依平台開放性而定，理想平台應支援高階客製化與演算法整合 |
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智慧財產權 |
完全由內部掌握，但需自行建構保護機制 |
需選擇可加密客製化演算法的平台，以保護核心技術不外洩 |
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所需專業 |
需具備跨領域的深度專業團隊（硬體、韌體、控制、軟體） |
主要需具備應用層的程式設計能力，可運用廠商的底層技術 |
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系統穩定性 |
需投入大量時間進行完整的測試與驗證，風險較高 |
廠商已完成大量驗證，運作穩定性與可靠度較高 |
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長期維護 |
由內部團隊完全負責，人員流動可能造成風險 |
可獲得廠商的技術支援、更新與維護服務 |
使用便利性
一個優異的控制平台應該能夠有效促進並強化技術創新，控制器一個經常被忽視的關鍵面向是其使用便利性，如果需要花費數天時間來設定您的軸向與 I/O，僅僅為了驗證您的基本流程，那將是件極其耗時、令人沮喪且成本高昂的事情；在理想情況下，完成所有硬體接線後，應不超過一個早上的工作時間，就能完成所有軸向運動的參數設定與伺服調校，並驗證所有 I/O 點位的正確性，如果出現接線問題，控制器應能主動協助診斷並修復這些問題，甚至可能透過控制邏輯重新分配訊號路徑，而非耗時費力地重新接線，這將為核心的流程控制測試與應用評估，留下更多寶貴的開發時間。
考量到單一軸向所使用的大量參數，擁有一個圖形化的設定精靈來引導您完成此項設置至關重要，若無此類工具，您將高度依賴組織內一兩位頂尖專家來設定所有項目，一個能清晰引導您完成這些設定的控制器，能讓更廣泛的工程與技術人員都有能力處理這些任務，而不會感到不知所措或壓力過大，圖 1 顯示了 Aerotech 的 Automation1 控制器平台中的 MachineSetup 設定精靈範例，其介面清晰地引導使用者完成從控制器到機械裝置的每一步設定。
圖 1. Aerotech 的 Automation1 運動控制平台中的 MachineSetup 設定精靈，引導使用者完成系統設定。
當流程中涉及高階伺服系統時，伺服調校便是一個常見的挑戰與痛點，伺服調校這門看似神秘的藝術，即使對資深工程師和技術人員來說，也可能導致數小時的反覆嘗試與掙扎，一個能夠執行精準自我調校的控制器，無疑是控制工程師的最佳夥伴，我們都清楚，即使是最精密的自動調校程式也並非在所有條件下都完美無缺或能達到最佳效能，因此，一個能為資深控制工程師顯示如波德圖 (Bode plot) 等高階控制概念以供其精細操作的控制器，讓人能更深入地理解系統的物理限制，並發掘出可實際達到的最高效能水準，圖 2 顯示了一個用於圖形化伺服迴路調校的迴路整形 (loop shaping) 工具範例，可視覺化地調整系統響應。
圖 2. 使用 Aerotech 的 Automation1 運動控制平台，從伺服系統擷取的開迴路傳輸響應圖。
一旦您將伺服迴路調校並優化完成，就該開始進行應用程式設計，透過此環境進行程式設計的體驗應該是直觀且靈活的，能夠支援多種程式語言或架構進行編寫的能力，讓來自不同背景的程式設計師都能使控制器為他們所用，並發揮最大效益，運用如 C 語言、.NET 等業界廣泛使用的高階語言來創建相同的程式，更能讓組織內廣泛的人員來處理這些開發任務。
熟悉這些強大特點所需的時間不應超過幾天，如同任何專業技能一樣，要成為專家級使用者需要不斷的重複練習與實踐，但系統本身應具備易於學習和高度直觀的特性。
確保您選擇的控制器擁有一套完整的工具箱，其中包括簡易的參數產生功能與實際有效的可靠自動調校工具，這是成功的第一步，一個可供多種程式設計領域（例如梯形圖、結構化文本或高階語言）使用的程式設計介面，將能大幅縮短初始設定與試運轉的繁瑣過程，所有這些工具都應整合於一個直觀的開發環境中，並配有詳細的說明文件與豐富的支援資源，一切都專為優化您的機台效能而設計。
解決方案
Aerotech擁有超過 40 年開發高階運動控制器的深厚經驗，提供可立即運行的精密運動解決方案並在為全球客戶配置、調校與程式設計這些解決方案的過程中，我們親身經歷並解決了本白皮書中所描述的許多挑戰，為了系統性地管理這些問題，我們在控制器中整合了多項強大特點，例如：波德圖 (bode plot) 分析工具，它可以顯示各種系統響應類型以精準識別系統共振點與穩定性裕度，還有參數設定精靈，甚至還有一個可以在系統上自動設定增益與濾波器的 EasyTune® 工具，最新一代的控制器 Automation1，完美結合了功能豐富的現代程式設計語言、直觀的使用者介面以及強大的調校工具，為您提供一個可供未來多年持續發展與創新的穩固平台。
關於作者
Matt Davis 是 Peak Metrology 的支援服務經理，負責從售前到售後的全面支援服務，憑藉超過 20 年的運動控制銷售與服務經驗，他領導 Peak Metrology 團隊進行客製化量測設備、安裝與測試的設計工作，Matt 曾是美國海軍陸戰隊的士官。