無(wú)軸傳動(dòng)同步控制系統(tǒng)中SERCOS總線接口設(shè)計(jì)

摘要:本文結(jié)合SERCOS接口的特點(diǎn)和無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了串行無(wú)軸傳動(dòng)控制器SERCOS接口卡的硬件系統(tǒng)和軟件流程。實(shí)踐表明,該方案能夠完成對(duì)大量軸的高精度同步運(yùn)動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞:無(wú)軸傳動(dòng);同步控制;SERCOS總線

1引言

無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)是一門(mén)新興的、跨學(xué)科的綜合性技術(shù),它以相互獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械長(zhǎng)軸傳動(dòng),并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、程序軟件等形成內(nèi)部虛擬電子軸,各電子軸通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠交換和高速通訊,各個(gè)伺服電機(jī)跟隨電子主軸運(yùn)轉(zhuǎn),以保證各伺服電機(jī)的相位嚴(yán)格同步[1]。由于無(wú)軸傳動(dòng)克服了機(jī)械長(zhǎng)軸傳動(dòng)中的傳動(dòng)構(gòu)件過(guò)多造成的累積誤差、過(guò)度磨擦,以及設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、維修困難,安裝調(diào)試不方便等機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)難題,目前在機(jī)器人、印刷機(jī)、大型同步軋機(jī)、數(shù)控機(jī)床等要求實(shí)現(xiàn)多軸同步傳動(dòng)的領(lǐng)域,無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

在無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)中,關(guān)鍵裝備是無(wú)軸傳動(dòng)控制器(Shaftless Drives Controller),它主要完成對(duì)多軸的運(yùn)動(dòng)控制,并為生產(chǎn)過(guò)程控制提供硬件平臺(tái)。無(wú)軸傳動(dòng)控制器控制多軸運(yùn)行可以采用串行控制方式和并行控制方式。本文針對(duì)大量軸控制采用串行控制方式,并就串行總線SERCOS接口卡的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2SERCOS總線接口特點(diǎn)

SERCOS(Serial Real-time Communication System)由德國(guó)工業(yè)界于20世紀(jì)80年代中期提出,它是一種用于數(shù)字伺服和控制器之間的高速串行通信的現(xiàn)場(chǎng)總線接口和數(shù)字交換協(xié)議,專(zhuān)門(mén)針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì),是目前唯一的有關(guān)運(yùn)動(dòng)控制的國(guó)際通訊標(biāo)準(zhǔn)[3][4],我國(guó)于2002年也正式頒布了SERCOS協(xié)議的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其接口主要特點(diǎn)為:

(1)控制環(huán)模式:在SERCOS接口中,位置環(huán)在數(shù)字驅(qū)動(dòng)器內(nèi)閉合,控制器中的閉環(huán)數(shù)減少到零。控制器不需要位置反饋,控制器與數(shù)字智能驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò)SERCOS傳遞位置參數(shù)等,減少了控制器的運(yùn)算周期,增加可控軸的數(shù)量。

(2)傳輸介質(zhì):SERCOS總線用塑料光纜或玻璃光纜構(gòu)成一個(gè)環(huán)型回路,可以有效地排除電磁干擾。

(3)通訊結(jié)構(gòu):SERCOS采用主從站通訊結(jié)構(gòu),主站控制該環(huán)上的所有通訊,環(huán)內(nèi)交換的信息完全取決于控制器和驅(qū)動(dòng)器間的任務(wù)分配,控制器是主控者,驅(qū)動(dòng)器只對(duì)控制器的請(qǐng)求作出響應(yīng),信息的交換僅僅發(fā)生在控制器和驅(qū)動(dòng)器間。從站即負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)器和控制器的信息交換,又作為中繼器傳遞數(shù)據(jù),解決了高速串行通信環(huán)的分段問(wèn)題,使SERCOS接口可以支持離散設(shè)備。

3 SERCOS接口卡硬件設(shè)計(jì)

3.1 接口卡硬件總體設(shè)計(jì)

接口卡的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

該接口卡的SERCOS總線控制器選用SERCON816。SERCON816資源豐富,功能強(qiáng)大,內(nèi)有43個(gè)16位的控制寄存器、34個(gè)內(nèi)部中斷源、2個(gè)外部中斷引腳、2 kb雙口RAM、1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器及DMA控制器。該芯片集成了SERCOS總線的數(shù)據(jù)鏈路層,通過(guò)設(shè)定片內(nèi)寄存器和讀寫(xiě)結(jié)構(gòu)化的雙口RAM即可實(shí)現(xiàn)總線通訊。這款芯片報(bào)文處理的時(shí)鐘頻率最高可達(dá)16 M,即可在最短為62.5μs的固定周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一主多從的環(huán)形通訊。

接口卡微處理器選用TMS320F2812。TMS320F2812是在TMS320F24X的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的高性能定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器芯片,其先進(jìn)的內(nèi)部和外設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合電動(dòng)機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。TMS320F2812具有32位定點(diǎn)DSP內(nèi)核、主頻達(dá)150 MHz、指令周期6.67 ns,片上有豐富的外設(shè)資源, 主要有18 kb的RAM、128 KB的Flash、事件管理器(EV)、16路12 位的A/D轉(zhuǎn)換單元、3 個(gè)32 位的CPU 時(shí)鐘、14 個(gè)CPU內(nèi)核中斷、3個(gè)外部中斷、96個(gè)外設(shè)中斷,以及串口外設(shè)包括eCAN 總線、McBSP、SPI 和SCI 接口等。

另外,本卡采用IS61LV25616AL外部擴(kuò)展了256K×16的SRAM來(lái)滿足SERCOS接口中大量IDN數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)存的需求;顯示診斷信息的四位LED數(shù)碼管則由具有IIC總線的SAA1064來(lái)驅(qū)動(dòng);采用ATMEL公司生產(chǎn)的具有IIC總線接口的4K×16串行EEPROM AT24C16用來(lái)存放初始化參數(shù),這些初始化參數(shù)根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境來(lái)確定,并由PC機(jī)通過(guò)SERCOS接口卡的RS232接口來(lái)對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)。

3.2 SERCON816與微處理器的接口設(shè)計(jì)

SERCON816與TMS320F2812的接口電路見(jiàn)圖2。

SERCON816采用+5V供電而TMS320F2812外設(shè)采用3.3V供電,所以在SERCON816與F2812的總線接口中要增加電平轉(zhuǎn)換電路。在這里采用帶方向控制引腳的16位總線緩沖器74LVC162245來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。

4SERCOS接口卡軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)在總體上分為主程序和中斷服務(wù)程序。主程序主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、SERCON816初始化及任務(wù)管理等功能。軟件系統(tǒng)的主程序流程見(jiàn)圖3所示。

4.2 SERCON816的初始化

SERCON816初始化主要包括RAM報(bào)文數(shù)據(jù)初始化、硬件配置初始化和通訊初始化,其硬件配置初始化和通訊初始化主要是通過(guò)設(shè)置控制寄存器中的相應(yīng)位來(lái)完成的。流程圖如4所示。

4.3 SERTCOS接口的初始化

SERCOS的初始化過(guò)程分為5個(gè)通信階段,其流程見(jiàn)圖5。

CP0:檢查SERCOS環(huán)路是否閉合;

CP1:識(shí)別環(huán)路上的伺服裝置,使用非周期性的數(shù)據(jù)傳輸。其工作原理是:主站依次向每個(gè)伺服裝置發(fā)送MDTm(m是控制器的站地址)電報(bào),MDTm的地址域中包含的是待識(shí)別的伺服裝置的地址。如果被識(shí)別的伺服裝置工作正常,則它應(yīng)在下一個(gè)通信周期發(fā)送一個(gè)ATm電報(bào)作為應(yīng)答。如果所有的伺服裝置都正確作出應(yīng)答,則可以進(jìn)入下一個(gè)通信階段CP2;

CP2:為周期性通信階段CP3和CP4設(shè)置通信參數(shù),使用和CP1相同的非周期性的數(shù)據(jù)傳輸;

CP3:繼續(xù)設(shè)置相關(guān)的伺服參數(shù),數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)為周期性運(yùn)行的電報(bào)實(shí)現(xiàn);

CP4:結(jié)束初始化過(guò)程,系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行階段。在初始化過(guò)程中,如果伺服電源關(guān)閉或出現(xiàn)硬件故障,則狀態(tài)返回到CP0的狀態(tài)。

5結(jié)束語(yǔ)

SERCOS總線具有完全開(kāi)放的通訊結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格的同步機(jī)制和極佳的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn),文章從SERCOS的特點(diǎn)出發(fā),設(shè)計(jì)了基于SERCOS總線和DSP的無(wú)軸傳動(dòng)分布式同步控制系統(tǒng)接口卡,對(duì)SERCOS接口卡硬件部分及軟件部分進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)與分析。實(shí)踐證明該方案在惡劣的環(huán)境下能夠可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)多軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)同步控制,適應(yīng)了當(dāng)前國(guó)際市場(chǎng)與技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

王艷平,研究生,講師;研究方向:現(xiàn)代控制網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)。