Powerlink在分布式伺服驅(qū)動中的應(yīng)用設(shè)計

張少林，陳 冰，陳幼平

（華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

0 引言

為了實現(xiàn)更高速、更柔性的生產(chǎn)目的，傳統(tǒng)上由機械部件完成的功能越來越多的由伺服系統(tǒng)完成[1]。同時，工業(yè)現(xiàn)場總線的廣泛應(yīng)用，為分布式控制系統(tǒng)提供了良好的高實時性、高可靠性解決方案。目前，在一些大型包裝、印刷、紡織、機器人和CNC等領(lǐng)域，該方案能夠較好地解決系統(tǒng)模塊化的布局，具有較高的應(yīng)用價值。采用Powerlink開源技術(shù)作系統(tǒng)總線，能夠較好地利用Powerlink開源的優(yōu)勢，提供較高的實時性和安全性，同時具有較低的成本。

1 分布式伺服控制

分布式伺服控制實質(zhì)上是分布式驅(qū)動，集中式控制。典型的分布式伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由1個主控制器和n個驅(qū)動節(jié)點組成，通過普通以太網(wǎng)介質(zhì)組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。主控制器實現(xiàn)多軸控制的軌跡算法和主站通訊協(xié)議。軌跡控制算法實現(xiàn)了各軸的插補運算，并通過現(xiàn)場總線將指令發(fā)送到驅(qū)動節(jié)點。驅(qū)動節(jié)點根據(jù)目標(biāo)指令和編碼器反饋信息，實現(xiàn)控制環(huán)路，驅(qū)動電機運動。此外，總線上可以擴展I／O設(shè)備，采集傳感器信息，擴展其他應(yīng)用[2]。

圖1 分布式伺服系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

分布式伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，很大程度上取決于選擇的運動控制總線?？偩€的速度、協(xié)議的效率直接影響了伺服軸的數(shù)據(jù)更新時間，進(jìn)而影響伺服軸的控制精度；總線的安全可靠性和自診斷、自恢復(fù)能力決定了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；總線的應(yīng)用是否廣泛、調(diào)試是否方便，影響了總線的市場通用性，開發(fā)成本的高低。

開源技術(shù)Ethernet Powerlink具有良好的性能。首先，Powerlink的通信周期短，能夠在幾百微妙內(nèi)刷新全部節(jié)點的控制信息。其次，Powerlink通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟ǚ椒▉泶_保安全性，摒棄了以前需要的雙絞線裝置，降低了配線需求。歸功于嚴(yán)格確定的時序，非常短的循環(huán)周期，很低的網(wǎng)絡(luò)抖動，開放的實時通信系統(tǒng)，為Powerlink安全性提供了理想的基礎(chǔ)[3]。此外，Powelrink與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)兼容，具有高實時性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、熱插拔和開源等特點，這些都為Powerlink的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。因此，選用Powerlink技術(shù)作為伺服控制總線，是性能良好且成本實惠的選擇。

2 Powerlink在伺服驅(qū)動器上的實現(xiàn)

2.1 硬件框架

主控制器和驅(qū)動節(jié)點的硬件電路基本相同，如圖2所示，都采用Freescale Cortex-M4ARM做主處理器，通過FlexBus總線與FPGA通信。FPGA外接DDR2存儲器件和2個以太網(wǎng)控制芯片DP83630，主要實現(xiàn)Powerlink協(xié)議。驅(qū)動節(jié)點還有一個編碼器模塊輸入和電機驅(qū)動輸出。

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

2.2 初始化過程

驅(qū)動節(jié)點初始化過程如圖3所示。首先是主站上電啟動，初始化并等待從站節(jié)點的接入。然后驅(qū)動節(jié)點上電，驅(qū)動器進(jìn)行自檢和初始化。此時強電還沒有接通，驅(qū)動節(jié)點應(yīng)答主控制器的IdentRequest請求，完成Powerlink的初始化，并告知應(yīng)用層當(dāng)前初始化狀態(tài)。應(yīng)用層判斷Powerlink初始化正常，接通強電，否則發(fā)出錯誤信息到數(shù)碼管顯示[4]。

圖3 驅(qū)動節(jié)點初始化過程

2.3 正常通信過程

初始化成功后，主從站根據(jù)對象字典配置信息進(jìn)行通訊（通訊數(shù)據(jù)如表1和表2所示）。主控制器依次給各驅(qū)動節(jié)點發(fā)送命令伺服使能，驅(qū)動節(jié)點反饋伺服就緒，開始正常運轉(zhuǎn)。每個通信周期，主控制器給個驅(qū)動節(jié)點發(fā)送插補指令，驅(qū)動節(jié)點反饋實際轉(zhuǎn)速和驅(qū)動器狀態(tài)信息[5]。

表1 主站數(shù)據(jù)格式

表2 從站數(shù)據(jù)格式

2.4 Powerlink移植

無論是否采用操作系統(tǒng)，Powerlink一般包括這樣4個任務(wù)處理：事件隊列、以太網(wǎng)收發(fā)事件、時鐘事件和外部按鍵輸入處理。由于沒有使用操作系統(tǒng)，所以將事件隊列和ms級時鐘事件放在主函數(shù)中查詢處理，以太網(wǎng)事件、高精度時鐘事件和按鍵輸入處理使用中斷的方式實現(xiàn)，通過接口函數(shù)與協(xié)議棧進(jìn)行通信。Powerlink主站的移植，針對Xilinx Spartan6系列FPGA，修改了Ethernet Edrv，Timer，Buffer，以及Cfm模塊。

Powerlink的硬件架構(gòu)如圖4所示[6]。Ethernet驅(qū)動使用了Powerlink IP核，IP核里調(diào)用open-MAC來管理數(shù)據(jù)收發(fā)。Timer包括1個ms級時鐘和2個ns級時鐘。ms級時鐘由軟核定時器提供，ns級時鐘TimerCycle由FPGA內(nèi)部50MHz時鐘產(chǎn)生（每個滴答20ns），去掉了另外一個時鐘TimerSlot，數(shù)據(jù)的發(fā)送改由定時發(fā)送幀的函數(shù)omethTransmitTime代替。Cfm配置模塊中，cdc將文件轉(zhuǎn)換成數(shù)組添加到工程里面，然后將對文件mnobd.cdc的處理轉(zhuǎn)換成對Buffer的處理，這樣就省去了FPGA對文件系統(tǒng)的支持。

圖4 Powerlink IP核結(jié)構(gòu)

Powerlink從站的移植，針對Cyclone IV做了相應(yīng)修改，大體與主站修改過程類似。

2.5 測試結(jié)果

在100Mbit／s的網(wǎng)絡(luò)帶寬下，通過Powerlink總線，400μs內(nèi)實現(xiàn)了5個從站伺服驅(qū)動器的數(shù)據(jù)刷新，編碼器反饋速度與命令速度之間有1～2個通信周期的滯后，基本上實現(xiàn)了各個驅(qū)動節(jié)點的同步控制。具體數(shù)據(jù)量與通信周期的關(guān)系如表3所示。

表3 Powerlink通信測試

3 結(jié)束語

分布式伺服控制簡化了機械設(shè)計，提高了設(shè)計的靈活性，在當(dāng)前運動控制高速化、多軸化和復(fù)雜化的需求下，能夠較好地滿足市場需求。基于Power-link通信技術(shù)的分布式伺服驅(qū)動器，結(jié)合了目前普遍采用的Powerlink總線技術(shù)，能夠較好地滿足較高的實時性和可靠性。

[1]宋華振，陳志彤，曹海笑，等.走向分布式的伺服控制[J].現(xiàn)代制造，2006，（10）：42-43.

[2]呂應(yīng)明，袁海文，刑軍偉.基于CAN總線的分布式位置伺服系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36（3）：136-139.

[3]EPSG.Powerlink安全性-靈活地安全性協(xié)議[Z].上海：貝加萊工業(yè)自動化有限公司，2012.

[4]樊留群.實時以太網(wǎng)及運動控制總線技術(shù)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2009.

[5]GSK.DA98E系列總線式交流驅(qū)動單元使用手冊[Z].廣州：廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，2011.

[6]AVNET.Xilinx FPGA Powerlink Controlled Node Application Note（ADS Spartan6Ethernet Powerlink Board）[Z].香港：安富利科技集團(tuán)，2012.