可重構伺服驅動調(diào)試工具的設計與實現(xiàn)*

柴 宇，欒 勇，王志成

(中國科學院沈陽計算技術研究所，沈陽 110168)

0 引言

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床最重要的組成部分之一，其動態(tài)特性對數(shù)控機床的加工精度有重要的影響［1］。在傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)中，控制軟件被固化在伺服驅動中，已開發(fā)完成的應用，基本不可能再做更改，隨著用戶需求的不斷變化，不能夠靈活的進行升級更新。

為解決上述傳統(tǒng)伺服驅動的問題，組件技術被引入到了伺服驅動的設計當中。采用基于組件［2］的軟件設計技術，可以成功構建一種可重構的軟件系統(tǒng)，各個模塊對象可以根據(jù)不同的需求組合在一起，并且當對某模塊的需求發(fā)生變化時，只需要修改此軟件模塊，而不用對整個軟件系統(tǒng)進行大量的重新設計。提高了系統(tǒng)的靈活性、可維護性，更加適應了需求的快速發(fā)展［3］。

可重構伺服驅動［4］的出現(xiàn)對調(diào)試工具提出了新的要求，其不再只需完成傳送參數(shù)等功能，而需要對伺服的各個模塊對象進行管理、操作，并要求操作更加人性化、智能化。同時需要將控制參數(shù)備份到硬盤上，以供以后恢復系統(tǒng)或調(diào)試其它相同配置的系統(tǒng)使用?；诖苏{(diào)試工具的這些特點，它容易被廣大調(diào)試人員掌握，能有效地提高伺服驅動器的特性，從而提高數(shù)控機床的加工精度。

1 整體結構設計

根據(jù)可重構伺服驅動器的需求，本設計具體包括通信協(xié)議的設計、驅動層的設計及調(diào)試工具的設計。

(1)驅動層：PC機與可重構伺服驅動器通過USB線進行連接，驅動層創(chuàng)建串口對象，實現(xiàn)上位機與伺服驅動的串口連接。

(2)通信協(xié)議：在PC機與伺服之間傳送的各幀，

都必須按照統(tǒng)一的格式發(fā)送，并且在接收到數(shù)據(jù)后按照固定的格式進行解析，高效的通信協(xié)議的制定，能夠保證上位機與伺服驅動之間高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

(3)調(diào)試工具：能夠對伺服驅動的各個模塊對象進行管理、操作，本設計為方便用戶使用，將各個模塊對象圖形化，使用戶可以不需要理解某些復雜參數(shù)的含義，直接對圖形進行操作，使操作更加人性化、智能化。同時可以將控制參數(shù)備份到硬盤上，以供以后恢復系統(tǒng)或調(diào)試其它相同配置的系統(tǒng)時使用。

整體結構設計如圖1所示。

圖1 整體結構設計

2 驅動層與通信協(xié)議的設計

上位機與伺服驅動器通過串口進行連接，具體實現(xiàn)方式為上位機與伺服驅動器通過USB線連接，在上位機上安裝USB轉串口的程序［5］，實現(xiàn)二者之間的串口連接。圖2為上位機與伺服驅動器連接通信的示意圖。

圖2 上位機與伺服驅動器通信圖

調(diào)試工具通過串口與伺服進行通信［6］，驅動層需要創(chuàng)建串口對象，C#中的Serial Port類為串口的實現(xiàn)提供了良好的支持，可以方便的創(chuàng)建串口，初始化串口，對串口的各屬性，如波特率、奇偶校驗位、停止位等進行設置。圖3為串口屬性設置界面，用戶可以根據(jù)需求，對串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位進行設置，從而生成不同的串口對象。

圖3 串口屬性設置界面

通信協(xié)議按照工業(yè)標準MODBUS協(xié)議標準［7］進行設計。通信幀包括起始字節(jié)、數(shù)據(jù)長度、指令碼、數(shù)據(jù)內(nèi)容、校驗碼、結束字節(jié)等字段，具備較好的擴展性，通信幀的各字節(jié)含義如表1所示。上位機發(fā)送的命令幀以及數(shù)據(jù)幀采用協(xié)議規(guī)定的統(tǒng)一格式發(fā)送，起止字節(jié)均是一個字節(jié)AAH，幀中的第二個字節(jié)表示通信地址，占用一字節(jié)，緊接著的一個字節(jié)表示整個幀的長度。不同類型的指令由指令碼標示，占用一字節(jié)，緊接著的n個字節(jié)表示不同指令碼的數(shù)據(jù)部分，具體內(nèi)容以及n的大小由各類型指令的不同內(nèi)容決定，不同類型的指令格式以及指令對應的應答幀格式也需事先約定好。本節(jié)所實現(xiàn)的協(xié)議采用16位的CRC冗余校驗方法［8］，校驗范圍包括除起止字節(jié)以及結束碼以外的所有幀字節(jié)，最后是結束碼。

表1 通信幀格式

3 調(diào)試工具的設計

調(diào)試工具主要包括類庫和對象庫管理、參數(shù)管理、調(diào)試、文件管理四部分。本軟件采用C#語言進行開發(fā)，圖4為調(diào)試工具的主界面。

圖4 調(diào)試工具的主界面

3.1 類庫及對象庫的設計

根據(jù)可重構伺服驅動器的特點，要求調(diào)試軟件能夠建立類庫，其中類具有類版本號、輸入引腳數(shù)、輸出引腳數(shù)、一類參數(shù)個數(shù)、二類參數(shù)個數(shù)、三類參數(shù)個數(shù)等屬性，用戶可以輸入這些屬性值來創(chuàng)建類。

可針對每個類生成不同對象號的對象?？芍貥嬎欧寗悠髌脚_以組件的思想進行設計，可以創(chuàng)建多個組件對象，對象之間利用參數(shù)進行互連，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的可重構。每個對象都對應一個唯一ID號，范圍為1～255，分為系統(tǒng)對象和通用對象兩類。在調(diào)試軟件中，對象庫中對象的創(chuàng)建具有兩種方式。一種是，通過類來實例生成，輸入對象的對象號，即可通過類生成該對象，該對象就具備了此類的版本號、輸入輸出引腳數(shù)、各類參數(shù)個數(shù)等屬性值。另一種方式是通過向伺服驅動器發(fā)送查詢命令，對1－255這255個對象號依次進行查詢，判斷伺服驅動器中是否具有該對象號的對象，從而獲取伺服中的各對象，實現(xiàn)對象庫的更新，也保證了對象庫中的對象與伺服中對象的一致性。

3.2 參數(shù)管理

對象含有 p1、p2、p3、pi、po 五類參數(shù)，軟件提供了對各類參數(shù)進行設置初值的功能，并可通過向伺服傳遞命令參數(shù)，對各類參數(shù)進行上載及下載，并可以選擇將參數(shù)保存在伺服EEPROM或本地文件中。圖5為參數(shù)管理的界面。用戶可以向伺服發(fā)送參數(shù)讀取指令，讀取該對象的參數(shù)，顯示到對象的屬性表中，也可向伺服發(fā)送參數(shù)寫指令，將屬性表中的各參數(shù)，傳輸?shù)剿欧ο螽斨腥ァ?/p>

圖5 參數(shù)表

3.3 電機控制

電機控制包括對伺服電機的復位、上電、下電、速度JOG等操作。調(diào)試軟件通過串口向伺服傳遞各命令參數(shù)，伺服按照通信協(xié)議進行解析，從而實現(xiàn)上述各操作。

圖6為速度JOG操作界面。選用的伺服驅動電機為沈陽高精數(shù)控公司生產(chǎn)的永磁同步電機，具體實物連接如圖7所示。手動部分用戶可以設定手動速度，當一直按下“+”時，電機將實現(xiàn)以設定速度正轉，當一直按下“－”時，電機將實現(xiàn)以設定速度反轉，當鼠標抬起時，電機停轉。自動部分可以輸入轉動時間及每分鐘轉數(shù)，點擊開始后電機即可按照輸入數(shù)據(jù)轉動。同時在界面中顯示當前速度、當前位置信息，并提供異常報警顯示。

圖6 速度JOG操作界面

圖7 調(diào)試工具的實物仿真圖

3.4 文件管理

文件管理包括類庫文件、對象庫文件及配置文件的創(chuàng)建及保存［9］。對于文件的存儲，采取XML技術。將每個類庫、對象庫、配置信息分別存儲成一個XML文件［10］，可以使用該軟件打開 xml文件，從而打開相應的類庫、對象庫及配置信息。其中配置信息的存儲包括對工作區(qū)中的調(diào)試操作記錄的保存，例如各對象的連接關系，各參數(shù)值等，都將被存儲到XML文件中，以方便以后調(diào)用。對于相同配置的伺服驅動器，可通過拷貝、打開已有的類庫、對象庫、及配置文件，就可以快速獲得相應的類庫、對象庫的信息、數(shù)據(jù)，以及之前的操作記錄等，用戶可以在打開的操作記錄的基礎上，繼續(xù)進行操作、調(diào)試，使調(diào)試工作更加快速、便捷，實現(xiàn)了伺服的快速調(diào)試。

4 總結

本文針對可重構伺服驅動器的特點，對其相應的調(diào)試工具進行了設計與實現(xiàn)，能夠對伺服驅動的各個模塊對象進行管理、操作，并將各個模塊對象圖形化，使用戶可以不需理解某些復雜參數(shù)的含義，直接對圖形進行操作，同時可以將控制參數(shù)備份到硬盤上，使用戶能夠對伺服驅動器進行快速、方便的調(diào)試，容易被廣大調(diào)試人員掌握，有一定的應用價值。

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