基于SERCOS-II的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)實時通信與同步控制研究*

方培潘，皮佑國

(華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640)

基于SERCOS-II的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)實時通信與同步控制研究*

方培潘，皮佑國

(華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床和加工中心對實時接收數(shù)據(jù)和同步運(yùn)動控制提出了更高的要求。論文對脈沖式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行簡要述評的基礎(chǔ)上，提出了基于SERCOSII串行實時總線通信的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu):以運(yùn)動控制器為主站，進(jìn)給伺服驅(qū)動器為從站的主從式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，并以通信周期為基準(zhǔn)協(xié)調(diào)該多CPU結(jié)構(gòu)。論文將提出的系統(tǒng)用于XKHL650型立式加工中心數(shù)字化控制，并提出了各進(jìn)給軸伺服驅(qū)動電流環(huán)同步控制方法。該方法使各進(jìn)給軸伺服驅(qū)動電流指令達(dá)到1μs的同步精度，從而保證了機(jī)床各進(jìn)給軸動作的一致性。實驗和加工運(yùn)行表明基于SERCOSII總線通信的數(shù)控系統(tǒng)滿足高實時性高精度的加工要求。

SERCOS;數(shù)控系統(tǒng);實時性通訊;同步性通訊;電流環(huán)同步校正

0 引言

隨著開放式數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)字伺服技術(shù)的發(fā)展，如何實現(xiàn)控制單元與交流伺服裝置之間的高速數(shù)字通信是一個運(yùn)動控制領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵問題。由于傳統(tǒng)模擬接口通訊方式存在著信息量有限，對噪聲敏感，可靠性不高，帶寬低，接線復(fù)雜，系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy等缺點，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代數(shù)控高速高精度高實時性與開放性的發(fā)展趨勢［1-2］。為了滿足現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床和加工中心實時接收數(shù)據(jù)，并達(dá)到同步運(yùn)動控制的要求，就必須采用高效的、具有同步特性的數(shù)控實時通訊接口［3-4］。同時為了實現(xiàn)高強(qiáng)度和高精度的應(yīng)用，必須將整個數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的同步準(zhǔn)確性控制在低于1μs的范圍內(nèi)［5-6］。本文研究的解決方案是滿足以上要求的現(xiàn)場總線技術(shù)——SERCOS-II。

1 SERCOS-II性能和結(jié)構(gòu)

SERCOS(SerialReal-time Communication System)是一種用于伺服和運(yùn)動控制系統(tǒng)的高速、串行、實時通訊的現(xiàn)場總線接口和數(shù)字交換協(xié)議，是一個標(biāo)準(zhǔn)化的(IEC61491)用于控制系統(tǒng)與驅(qū)動器之間通訊的數(shù)字接口［5］，目前在全球范圍內(nèi)超過120家控制器和驅(qū)動廠商支持。SERCOS總線采用光纖傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，具有完全開放的通訊結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格的同步機(jī)制和極佳的抗干擾能力，在惡劣的環(huán)境下能夠可靠的實現(xiàn)對多軸運(yùn)動的實時同步控制，為自動控制技術(shù)提供了全新的革命性的選擇。

SERCOS-II的傳輸速率為16Mbit/s，從表面上看，SERCOS總線上的數(shù)據(jù)傳送速率比與之競爭的其他總線低很多，但實際并非如此?？偩€的性能不僅與總線速度有關(guān)，而且與PC機(jī)和遠(yuǎn)程節(jié)點如何處理數(shù)據(jù)有關(guān)。由于采用無源接口控制芯片和報文傳送數(shù)據(jù)，很大程度上減少了數(shù)據(jù)處理時間，并且由于傳輸時附加的信息量不同，經(jīng)測試，在16Mbit/s傳輸速率下工作的SERCOS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速率相當(dāng)于在100Mbit/s傳輸速率下工作的Ethernet系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，這為實時性的傳輸提供了保證［8］。

SERCOS接口采用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個控制單元可以帶一個或多個SERCOS環(huán)路。每個環(huán)由一個主站和若干個從站(1-254個伺服)組成，各站之間采用光纖聯(lián)接，構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 SERCOS接口的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SERCOS協(xié)議定義了主站同步電報MST、伺服電報AT和指令電報MDT 3種數(shù)據(jù)類型。主站同步電報由主站以固定周期發(fā)向所有從站，表示一次數(shù)據(jù)通訊周期開始，并以此MST為基準(zhǔn)，啟動內(nèi)部硬件定時器，控制各軸SERCOS接口的同步運(yùn)行，各從站與存儲在驅(qū)動器內(nèi)部的各時間參數(shù)t作比較，如果相等則觸發(fā)相應(yīng)的事件，以此讀取伺服電報和發(fā)送指令電報，保證軸間數(shù)據(jù)接發(fā)的同步性。伺服電報AT由各個伺服從站發(fā)往主站，可將多種伺服信息實時反饋給主站;指令數(shù)據(jù)電報MDT由主站發(fā)給從站，向從站發(fā)出控制指令，圖2為其工作時序。

圖2 SERCOS工作時序

2 數(shù)控系統(tǒng)實時性通訊控制

數(shù)控系統(tǒng)為強(qiáng)實時工業(yè)控制系統(tǒng)，伺服位置控制性能對控制時間滯后和控制周期相當(dāng)敏感，通信實時性是影響系統(tǒng)實現(xiàn)高速、高精加工的主要瓶頸之一，特別在多軸聯(lián)動伺服運(yùn)行控制應(yīng)用場合，對現(xiàn)場總線的實時性、確定性有很高的要求?？偩€確定性是指在網(wǎng)絡(luò)上的各站點每次得到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的間隔和時間是確定的;實時性是指數(shù)據(jù)能在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到目的地址，具體指控制指令或反饋數(shù)據(jù)的到達(dá)時間的可確定性。

在SERCOS-II接口系統(tǒng)中，所有的伺服回路一般都在驅(qū)動器內(nèi)閉合，閉合的伺服回路減輕了運(yùn)動控制和驅(qū)動器之間的傳輸效應(yīng)，在正常運(yùn)行中，SERCOS-II的通訊為周期性的主機(jī)-伺服通訊，周期長短可以在初始化的時候進(jìn)行設(shè)定，通訊周期為31.25μs的倍數(shù)關(guān)系，周期時間越短，系統(tǒng)實時性越強(qiáng)，考慮到與驅(qū)動器控制環(huán)的同步，最小通訊周期為31.25μs與電流環(huán)響應(yīng)周期的公倍數(shù)關(guān)系。SERCOS-II采用TDMA時間片通信機(jī)制，采用周期報文傳輸方式，具有確定的時間槽屬性且具有先驗性，因此易于實施確定策略，其實時性在運(yùn)動控制領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。同時借助DSP的高速處理能力，在硬件上保證運(yùn)動控制系統(tǒng)的實時性與精確度。

2.1 基于SERCOS接口的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于SERCOS接口的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。由主站控制器和各伺服驅(qū)動器通過SERCOS接口環(huán)路構(gòu)成。主站功能模塊主要包括人機(jī)交互、軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)計算、實時監(jiān)控等功能。SERCOS接口層完成數(shù)據(jù)通訊，伺服驅(qū)動層負(fù)責(zé)執(zhí)行主站發(fā)送的位置信息，各模塊相互作用完成數(shù)控加工過程。

圖3 基于SERCOS接口的CNC架構(gòu)

2.2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，可分為三個層次:CNC控制層、SERCOS接口層、伺服驅(qū)動執(zhí)行層。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

CNC控制層中ARM9處理器及外圍硬件主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)管理，包括人機(jī)交互，實時監(jiān)控;DSP6713處理器主要負(fù)責(zé)G代碼解析，軌跡插補(bǔ)計算，主軸電動機(jī)控制。ARM與DSP通過串口實現(xiàn)通信。

SERCOS接口層主要為數(shù)據(jù)傳輸提供通路以及報文的處理，物理層采用HFBR-1506、HFBR-2506作為光纖接發(fā)器;協(xié)議控制器采用SERCON816集成控制芯片，最高傳輸速率為16Mbit/s，可在最短為62.5微妙固定周期內(nèi)實現(xiàn)一主多從的環(huán)形通訊，SERCON816集成了SERCOS總線的數(shù)據(jù)鏈路層，內(nèi)部有2個外部中斷引腳、34個內(nèi)部中斷、43個16位的控制寄存器、2K雙端口RAM，由控制單元處理器通過總線設(shè)定片內(nèi)寄存器和讀寫結(jié)構(gòu)化的雙口RAM便可實現(xiàn)總線的通訊。

伺服驅(qū)動層主控制器DSP2812主要負(fù)責(zé)電機(jī)控制算法，SERCOS通信，數(shù)據(jù)采集;FPGA負(fù)責(zé)訪問總線的譯碼，電機(jī)測速，故障診斷，數(shù)碼管顯示，及按鍵輸入;驅(qū)動模塊主要由三菱相整流橋S3VTA80、逆變器PM100RL1A060、萊姆公司生產(chǎn)的霍爾元件LTSR-25、緩沖電路等構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)功率的放大及故障診斷等功能。

3 數(shù)控系統(tǒng)多軸同步性控制

數(shù)控機(jī)床多軸同步控制性能是影響機(jī)械加工質(zhì)量的一個重要因素，由于數(shù)控系統(tǒng)為多CPU結(jié)構(gòu)，主控制器和驅(qū)動單元都是分別獨(dú)立工作的，主從站節(jié)點時間節(jié)拍由各內(nèi)部時鐘晶振決定，他們沒有統(tǒng)一的時鐘基準(zhǔn)，而且晶振容易受環(huán)境因素的影響而存在時鐘抖動，總線通訊受環(huán)境干擾也導(dǎo)致通訊速度有波動，晶振時鐘漂移和網(wǎng)絡(luò)通訊速度波動將導(dǎo)致從站節(jié)點接收報文出現(xiàn)抖動。這幾種因素都可能造成伺服驅(qū)動軸的不一致執(zhí)行，導(dǎo)致同步誤差。

下面以兩軸為例來說明軸間同步性能對機(jī)床加工精度的影響。AB為直線插補(bǔ)預(yù)定軌跡中的一個步長線段，不考慮機(jī)械和電氣剛性，如果不存在軸間同步誤差，即兩軸指令執(zhí)行時刻一致，則工作臺嚴(yán)格按照指令從A點直線運(yùn)行到B點。如果兩軸存在軸間同步誤差，即兩軸伺服指令執(zhí)行時刻不一致，設(shè)X軸先于Y軸執(zhí)行指令，則實際工作臺走的是CD線段。

圖5 軸間同步誤差對加工的影響

各聯(lián)動軸控制模塊若采用獨(dú)立的時鐘源將不可避免地因控制周期相位不同和控制頻率不同產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致軸間同步運(yùn)行的不一致，影響輪廓加工的精度，如果采用同一時鐘源，可從根本上解決這一問題。

3.1 SERCOS-II同步性實現(xiàn)機(jī)理

SERCOS-II是一個嚴(yán)格周期性的通信協(xié)議，通信機(jī)制采用廣播形式，所有的站點都可以同時接收到信息，在每個通信周期的開始，主站會發(fā)出一個同步電報MST，同步電報具有數(shù)據(jù)幀小的特點，根據(jù)協(xié)議的工作方式，每個從站接收到主站發(fā)送的MST和MDT在時間上是有差異的。站號越大，離主站越遠(yuǎn)，收到主站幀的周期時間就越長，當(dāng)從站接收到MST同步電報時，立即加載定時器初始設(shè)定值，該初始值決定于從站與主站的距離，并啟動內(nèi)部硬件定時器，當(dāng)定時器與存儲在伺服驅(qū)動器內(nèi)部的指令有效時間t相等時則觸發(fā)中斷響應(yīng)，如圖6所示，以此讀取指令電報，保證了數(shù)據(jù)接收的同步性，同步誤差小于1μs。

圖6 從站間同步性

3.2 電流環(huán)時間同步校正

伺服驅(qū)動是數(shù)控系統(tǒng)中一個獨(dú)立的子系統(tǒng)，主要接收CNC控制層指令控制電機(jī)的運(yùn)行，伺服驅(qū)動執(zhí)行層有自已嚴(yán)格的時序，一般采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制的方法，電流環(huán)是最內(nèi)環(huán)，而速度環(huán)和位置環(huán)控制周期都是在它的基礎(chǔ)上分頻得到的。電流環(huán)控制算法是基于周期中斷的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，由于各伺服驅(qū)動單元之間沒有統(tǒng)一時鐘，容易造成中斷響應(yīng)時間的不一致性，故執(zhí)行指令電報數(shù)據(jù)時也就容易造成不一致，從而造成軸間同步誤差。于是提出電流同步校正技術(shù)，使軸間同步性保持在1μs內(nèi)。

電流環(huán)時間同步校正技術(shù)的基本原理是在每個通信周期結(jié)束以前的一個電流環(huán)控制周期不再完全由伺服系統(tǒng)內(nèi)部時鐘決定，而是由伺服系統(tǒng)內(nèi)部時鐘和數(shù)控系統(tǒng)的外部時鐘共同決定，即最后一個電流環(huán)的啟動時刻由伺服系統(tǒng)內(nèi)部決定，而終止時刻由系統(tǒng)通信啟動時刻決定，工作時序如圖7所示。

圖7 電流環(huán)時間同步校正工作時序

同步校正有可能出現(xiàn)最后一個電流環(huán)控制周期波動，波動率的大小主要由主站通訊周期抖動和伺服時鐘定時計數(shù)偏差等因素造成的，但在選擇系統(tǒng)通訊周期為1ms，伺服驅(qū)動電流環(huán)控制周期為100μs情況下，波動率較小，對伺服控制影響性能影響較小。設(shè)計如下實驗:應(yīng)用SERCON816內(nèi)部的分辨率為1μs定時器和指令讀取數(shù)據(jù)中斷CON_CLK，在中斷服務(wù)程序中讀取電流環(huán)周期中斷定時器，觀察1000個通信周期的結(jié)果，如圖8所示，波動率小于1%，即小于1μs，系統(tǒng)仍有效穩(wěn)定地工作。

圖8 電流環(huán)波動率測試

3.3 軸間同步性能測試實驗

伺服驅(qū)動器接收到同步電報之后將產(chǎn)生總線數(shù)據(jù)說中斷，以此啟動電流環(huán)，在執(zhí)行電流環(huán)指令時將觸發(fā)一次DSP控制器IO電平信號的跳變，三個伺服驅(qū)動控制器的IO信號如圖9所示，三個進(jìn)給軸同步信號誤差小于1μs，能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)同步性要求。

圖9 軸間同步性能測試

3.4 系統(tǒng)性能測試實驗

本通信系統(tǒng)已經(jīng)在某數(shù)字測控設(shè)備有限公司設(shè)計生產(chǎn)的XKHL650型立式加工中心上運(yùn)行，如圖10、11所示，經(jīng)試加工工件，工件的精度和光潔度均達(dá)到產(chǎn)品加工要求。

圖10 立式銑床

圖11 加工的鋁半球

4 結(jié)束語

本文深入討論了串行實時運(yùn)動控制總線協(xié)議SERCOS的實時性能和同步控制機(jī)制?；谶\(yùn)動控制器、SERCOS接口層和伺服驅(qū)動執(zhí)行層硬件平臺，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)主從實時的通訊以及加工中心的加工控制。本文重點討論了多軸同步問題，提出了電流環(huán)同步校正技術(shù)，使各進(jìn)給軸伺服驅(qū)動電流指令達(dá)到1μs的同步精度。實驗及運(yùn)行表明，采用SERCOS總線協(xié)議通信的數(shù)控伺服系統(tǒng)具有較高的實時性、可靠性、軸間同步性能，能滿足高精高速加工要求。

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Research of Real-time Communication and Synchronous Control of SERCOS-II in CNC System

FANG Pei-pan，PI You-guo
(School of Automation Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Modern CNC machine tools and machining centers proposed much higher requiements to the real-time receiving data and synchronization motion controls.In this paper，after a brief commentary of pulse CNC system，a serial real-time communication field bus system based on SERCOS-II was proposed:the motion controller as the master station and feed servo drive for slave station for the masterslave ring network，and to coordinate multi-CPU structure with the benchmark of the communication cycle.This system is used for XKHL650 vertical machining center digital control，and then a synchronous control method of current loop among servo feed drivers was proposed.This approach allows each axis servo drive current command to 1us synchronized precision，thus ensuring the machine tool axis motion consistency.Experimental and processing operation suggests that the CNC system based on SERCOS-II bus communication system meeting the high real-time CNC precision machining requirements.

SERCOS;CNC;Real-time communication;synchronous communication current-loop-rectify

TM301

A

1001-2265(2012)02-0054-04

2011-08-11

廣東省產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目(2009B090300269)

方培潘(1986—)，男，廣東揭陽人，華南理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為數(shù)控系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)，(E-mail)fangpeipan@163.com;皮佑國(1953—)，男，重慶開縣人，華南理工大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為工業(yè)自動化和數(shù)控系統(tǒng)。

(編輯 李秀敏)