嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器在網(wǎng)絡(luò)化交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

一個(gè)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由高階的運(yùn)動(dòng)控制器(motioncontroller)與低階的伺服驅(qū)動(dòng)器(servodriver)所組成，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制命令譯碼、各個(gè)位置控制軸彼此間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、加減速輪廓控制等等，其主要關(guān)鍵在于降低整體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的路徑誤差；伺服驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)伺服電機(jī)的位置控制，主要關(guān)鍵在于降低伺服軸的追隨誤差。圖1所示是一個(gè)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的簡化控制方塊圖，在一般的情況下各軸之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性會(huì)有相當(dāng)大的差異，在高速輪廓控制時(shí)(contouringcontrol)會(huì)造成顯著的誤差，因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器以整體考慮的觀點(diǎn)來解決這個(gè)問題。

圖1多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)簡化控制方塊圖

傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器體系結(jié)構(gòu)存在很多缺陷，如體積過大、結(jié)構(gòu)封閉、不支持網(wǎng)絡(luò)通信等，從而導(dǎo)致控制器之間相互孤立，系統(tǒng)升級(jí)過程中大量資源浪費(fèi)。ISP在線可編程技術(shù)、Internet技術(shù)以及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等信息技術(shù)的發(fā)展，使模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、嵌入式、可重構(gòu)的開放式智能運(yùn)動(dòng)控制器成為當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，Siemens公司HorstKohlbert的預(yù)言“嵌入式以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備，以及嵌入的Internet服務(wù)器不久都將成為現(xiàn)實(shí)”。德國JetterAG、英國的Trio、以色列的ELMO等公司的嵌入式智能運(yùn)動(dòng)控制器，宣布了“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”時(shí)代的到來。網(wǎng)絡(luò)伺服的特點(diǎn)是：

類似Internet的結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)；

對(duì)用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個(gè)程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用；

可連接到Internet，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠全球化聯(lián)網(wǎng)；

以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)場總線。

圖2嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器體系結(jié)構(gòu)

嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器體系結(jié)構(gòu)

以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動(dòng)化(FactoryAutomation簡稱FA)工程技術(shù)在最近10年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口(如RS-232C、RS485、RS-422等)和現(xiàn)場總線接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力。圖2給出了嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的體系結(jié)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)控制器中，最關(guān)鍵的部分是控制信號(hào)生成模塊，而這個(gè)部分是需要經(jīng)常改進(jìn)和升級(jí)的，采用硬件可重構(gòu)技術(shù)，把需要升級(jí)的模塊從系統(tǒng)中分離出來然后對(duì)它進(jìn)行在線重構(gòu)，即可完成升級(jí)操作。在基于PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器的體系結(jié)構(gòu)中，通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)通信，解決了網(wǎng)絡(luò)通信問題。

圖1中可以看出將運(yùn)動(dòng)控制器劃分為網(wǎng)絡(luò)通信模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊兩個(gè)主要部分。其中，網(wǎng)絡(luò)通信模塊直接與Internet連接，并按照預(yù)先確定的通信協(xié)議從控制臺(tái)那里取得控制命令，然后將命令交給運(yùn)動(dòng)控制模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊則直接和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，它在對(duì)命令進(jìn)行分析和判斷之后，產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)傳送給電動(dòng)機(jī)。另外，命令執(zhí)行的結(jié)果也會(huì)返回給網(wǎng)絡(luò)通信模塊，由它再通過網(wǎng)絡(luò)返回給控制臺(tái)。

圖3網(wǎng)絡(luò)控制分布式伺服系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)化伺服控制的系統(tǒng)集成

隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的進(jìn)步，采用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的伺服系統(tǒng)也隨之發(fā)展。目前已有多種采用不同通訊協(xié)議的分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如基于以太網(wǎng)的協(xié)議(EtherNetIP、ProfiNet及EtherCAT)、現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)(ProfiBus、CANopen、Devicenet、InterBus、ControlNet)，又如SERCOS、CC-LINK、Real-TimeEthernet、Real-TimeCANbus及制造商專有機(jī)制。

應(yīng)用高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于圖3所示的分布式伺服系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，諸如更靈活的系統(tǒng)應(yīng)用、更佳的系統(tǒng)整合控制效果等等。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)元件之間有效而可靠的通信，位置編碼器也采用總線方式，目前應(yīng)用還面臨幾個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。電機(jī)起動(dòng)就是其中的一個(gè)，它會(huì)產(chǎn)生電氣噪聲并且具有相對(duì)較大的電流。此外，出于安全性及可靠性考慮，控制運(yùn)動(dòng)機(jī)制的通信通道必須非?？煽俊Ｅc運(yùn)動(dòng)應(yīng)用相關(guān)的挑戰(zhàn)還涉及線纜布局(可能需要更長的布線)的限制。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性也對(duì)信號(hào)速率有一定的要求。

基于獨(dú)立性數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成

獨(dú)立性的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)就是在運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，脫離計(jì)算機(jī)或工控機(jī)的通訊操作控制，直接把控制程序和要運(yùn)行的程序下載到運(yùn)動(dòng)控制器本身所帶的FLASHROM里面。有設(shè)備的外圍觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)程序就開始運(yùn)行，圖4是基于TRIO的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)框圖。

基于獨(dú)立性數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成

獨(dú)立性的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)就是在運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，脫離計(jì)算機(jī)或工控機(jī)的通訊操作控制，直接把控制程序和要運(yùn)行的程序下載到運(yùn)動(dòng)控制器本身所帶的FLASHROM里面。有設(shè)備的外圍觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)程序就開始運(yùn)行，圖4是基于TRIO的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4基于多軸運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服結(jié)構(gòu)

圖4中上位計(jì)算機(jī)通過接插支持TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊適配卡(100M)獲得對(duì)以太網(wǎng)總線的支持，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視管理。上位計(jì)算完成任務(wù)規(guī)劃后，由第三方軟件完成用戶應(yīng)用程序開發(fā)，根據(jù)TCPIP協(xié)議通過以太網(wǎng)將生成的程序指令傳送給嵌入式多軸運(yùn)動(dòng)控制器。

網(wǎng)絡(luò)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器不斷轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生更新的位置命令(運(yùn)動(dòng)曲線)，通過現(xiàn)場總線下傳給驅(qū)動(dòng)器，總線節(jié)點(diǎn)解釋指令以后轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào)，控制交流伺服電機(jī)，這樣完成命令所需定位。在一個(gè)多軸系統(tǒng)中，一個(gè)控制器可以控制多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。伺服電機(jī)是主要的執(zhí)行部件，完成具體動(dòng)作。圖5中運(yùn)動(dòng)控制器可以采用英國TRIO公司的MC206，MC224，Euro205等獨(dú)立型的運(yùn)動(dòng)控制器，這些控制器采用工業(yè)專用的32bit，120MHz～150MH

z的最新微處理技術(shù)，融合最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可選用不同的控制器可控制1～24個(gè)軸?？梢杂?～±10V的模擬量電壓輸出和編碼器反饋形成全閉環(huán)控制，來控制伺服電機(jī)。也可以控制步進(jìn)電機(jī)，變頻器，氣動(dòng)，液壓伺服，或者是這幾種的任意結(jié)合。TRIO帶有可編程控制的IO，也可根據(jù)設(shè)備需要進(jìn)行擴(kuò)展(最多512個(gè)IO)。

基于觸摸屏“＋”獨(dú)立型數(shù)字控制器的開放控制系統(tǒng)

在一些流水線生產(chǎn)設(shè)備或批量產(chǎn)品的加工設(shè)備上，需要修改某些加工的工藝數(shù)據(jù)或者需要監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如登場裁切設(shè)備，對(duì)于裁切的長度就需要?dú)q工藝的不同和產(chǎn)品的不同需要修改，因?yàn)橛|摸屏操作方便，價(jià)格便宜(比工控機(jī)便宜的多)，所以采用觸摸屏來修改數(shù)據(jù)或顯示所與需要監(jiān)視的數(shù)據(jù)，如加工速度，產(chǎn)量等。

TRIO、ELMO等獨(dú)立型數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制型的通訊口都具有Modbus、Ethernet協(xié)議，可以直接同各種各樣的觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如HITECH，Schneider，EasyView等。其控制原理框圖與基于獨(dú)立型數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)集成一樣，只是在數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制的通訊口上接了一個(gè)觸摸屏。筆者采用的是泉毅公司的PWS6600系列，其特征是多軸運(yùn)動(dòng)控制器通過Modbus或Ethernet與工業(yè)觸摸屏相連，交流伺服驅(qū)動(dòng)器之間以及交流伺服驅(qū)動(dòng)器與多軸運(yùn)動(dòng)控制器之間通過現(xiàn)場總線相連，交流伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出與交流伺服電機(jī)相連。

基于PC機(jī)“＋”數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)集成

有的設(shè)備由于所控制的工程和加工的零件負(fù)載，前面的兩種系統(tǒng)集成方式都無法滿足設(shè)備和加工工藝的要求，需要采用計(jì)算機(jī)與數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合，通過數(shù)組運(yùn)動(dòng)控制器的專用控制或者動(dòng)態(tài)連接庫，利用VB，VC等高級(jí)語言進(jìn)行二次開發(fā)出專用或者通用的控制系統(tǒng)來控制設(shè)備的運(yùn)動(dòng)過程。

TRIO公司的PCI208產(chǎn)品是一款基于PCI總線的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制卡，該控制卡采用工業(yè)專用的32bit浮點(diǎn)50MHz的DSP最新微處理技術(shù)，提高了運(yùn)算速度和處理能力，融合了最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可以控制2～8個(gè)軸，可以控制伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，變頻器，氣動(dòng)液壓伺服缸或者這幾種的任意結(jié)合，另外，還帶有20個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，也帶2個(gè)CAN總線擴(kuò)展口，可以通過CAN總線擴(kuò)展IO和16bit的模擬輸入電壓模塊。

運(yùn)動(dòng)控制器專用控制語言及編譯系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制語言是人的控制意圖和控制器交流的主要方式。運(yùn)動(dòng)控制語言編寫的程序，必須通過編譯或解釋來使運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行。所以運(yùn)動(dòng)控制語言及其編譯器或解釋器直接影響到運(yùn)動(dòng)控制器使用的難易，運(yùn)動(dòng)控制器功能的強(qiáng)弱，以及運(yùn)動(dòng)控制器響應(yīng)的速度。

高級(jí)語言形式的運(yùn)動(dòng)控制語言在國內(nèi)還很少有人研究，國外的運(yùn)動(dòng)控制語言一般采用高級(jí)語言的形式，然后添加適合運(yùn)動(dòng)控制的指令進(jìn)行擴(kuò)展。本文主要介紹ELMO類VC語言ELMOStudio和TRIO類VB語言trioBASIC。

ELMOStudio和trioBASIC等運(yùn)動(dòng)控制語言采用高級(jí)語言，指令簡潔易懂易記，編程簡單，具有基本的PLC和運(yùn)動(dòng)控制功能。PLC和運(yùn)動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)采用統(tǒng)一的一種編程語言，簡化了程序的編寫。ELMOStudio和trioBASIC等語言由上位機(jī)編譯器對(duì)源程序進(jìn)行詞法、語法、語義進(jìn)行分析，上位機(jī)編譯器最終生成中間代碼，然后下載到嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器(下位機(jī))中由解釋器解釋，下位機(jī)解釋器使用一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)讀取并解釋下載到運(yùn)動(dòng)控制器用戶程序區(qū)的運(yùn)動(dòng)控制程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制。

ELMO類VC語言ELMOStudio和TRIO類VB語言trioBASIC語言是分別基于VC和VB語言的子集，并針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和PLC邏輯控制擴(kuò)展了相應(yīng)控制指令。他們都支持整型、和浮點(diǎn)型及布爾型等多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，程序整體結(jié)構(gòu)采用函數(shù)組成，由主函數(shù)開始執(zhí)行。程序的控制結(jié)構(gòu)有循環(huán)結(jié)構(gòu)for語句，while語句、選擇分支結(jié)構(gòu)if語句、無條件跳轉(zhuǎn)等語句，程序支持的運(yùn)算有算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、關(guān)系運(yùn)算。

審核編輯：湯梓紅