面向注塑機的RTEX型嵌入式伺服控制器設(shè)計

焦文潭，布 挺，張 剛

（洛陽理工學(xué)院 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 洛陽471023）

脈沖型伺服控制系統(tǒng)由于成本低、技術(shù)成熟，普遍應(yīng)用于注塑機（瓶胚、快餐盒）配套機械臂。隨著行業(yè)發(fā)展，塑機行業(yè)對機械臂的要求出現(xiàn)兩個趨勢：第一，由追求工作速度變?yōu)樗俣群腿嵝钥刂撇⒅?。在業(yè)內(nèi)利用脈沖型伺服控制系統(tǒng)將伺服電機超出額定轉(zhuǎn)速工作，以配合注塑機[1]提高產(chǎn)能，但也導(dǎo)致機械臂出現(xiàn)動作柔性差、手臂振動等缺點。第二，對控制系統(tǒng)通用性要求高。注塑行業(yè)機械臂分為標準機和非標機。標準型包含2軸系統(tǒng)和3軸系統(tǒng)。即使如此，最早應(yīng)用于標準機的基于MCU PWM技術(shù)的控制板卡也分為2軸配套控制卡、3軸配套控制卡，系統(tǒng)軟硬件均有所區(qū)別，而基于專用芯片設(shè)計的脈沖型控制系統(tǒng)一般最多支持4軸，如MCX312（2軸）、MCX314（4軸）。非標性設(shè)備軸數(shù)機械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，通常都在3-5軸（如膜內(nèi)貼標機）甚至更多，脈沖型控制系統(tǒng)通用性差，給培訓(xùn)、調(diào)試、維護及售后帶來了極大的不便，總線型控制系統(tǒng)的優(yōu)勢就凸顯出來。近五年，各種總線型控制系統(tǒng)已經(jīng)在業(yè)內(nèi)高端機上尤其是非標準機上推廣應(yīng)用。

1 設(shè)計原理

RTEX協(xié)議[2-3]是Panasonic公司針對其A5N（包含A6N）系列交流伺服產(chǎn)品開發(fā)的具備高度實時性的通訊協(xié)議（通信基礎(chǔ)：100base-TX，全雙工：100Mb/s）。與Ethernet[4]相比，RTEX協(xié)議突出通信的高效性，簡化的數(shù)據(jù)包更利于通信的實時性。RTEX協(xié)議的系統(tǒng)拓撲為環(huán)形結(jié)構(gòu)。該協(xié)議支持采用4種通信周期（A5N支持4種，A6N進一步擴展）：0.0833ms、0.1666ms、0.5ms、1.0ms。協(xié)議通信支持2種數(shù)據(jù)包：16Byte和32Byte。工作模式支持4種 ：PP Mode、CP Mode、CV Mode、CT Mode。 由 于RTEX協(xié)議采用網(wǎng)路傳輸、環(huán)形配置，最多可擴展32軸（受MNM1221內(nèi)部映射寄存器限制）。

2 系統(tǒng)設(shè)計

Maste（r主控系統(tǒng)）板卡主要包含：核心電路（Core control bank）、歐規(guī)注塑機交互接口區(qū)（European 67 standard）、擴展I/O區(qū)（I/O bank）以及電源等輔助電路。

2.1 主控系統(tǒng)

主控制器采用PIC24FJ256DA210。主控板卡的核心電路由PIC MCU、MNM1221、PHY（以太網(wǎng)）以及Pulse Transforme（r脈沖變壓器）構(gòu)成。PIC與驅(qū)動器之間的通信通過板卡的MNM1221與A5N驅(qū)動器構(gòu)建環(huán)形拓撲[5-6]，建立實時系統(tǒng)。

MNM1221是MCU與A5N驅(qū)動器連接的紐帶，負責(zé)發(fā)送主控器（Master）的命令數(shù)據(jù)并接收驅(qū)動器（Slave）的反饋數(shù)據(jù)。

2.2 交互信號

主控板卡的交互信號結(jié)合工藝流程[7]可分為兩類：（1）與注塑機交互接口。依據(jù)注塑行業(yè)歐規(guī)67標準，設(shè)計主控板卡與注塑機電腦的交互信號。（2）擴展I/O區(qū)。擴展通用16路Input、16路Output。交互信號通過總線管理芯片及端口管理芯片受PIC MCU控制。控制板卡擴展通用I/O：16路輸入、16路輸出，與MNM1221共用數(shù)據(jù)總線。由于主控板卡通信周期為0.5ms，在控制伺服過程中，每0.1ms（NC operate cycle）與環(huán)路的伺服驅(qū)動器進行一次數(shù)據(jù)交換。因此，所有通用I/O均通過總線管理芯片統(tǒng)一管理，防止I/O信號干擾伺服通信。在一個指令更新周期，對I/O狀態(tài)的使能、讀取與輸出在完成伺服數(shù)據(jù)交互之后進行。

2.3 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件主要劃分為兩部分：（1）對MNM1221狀態(tài)的控制。（2）系統(tǒng)動作指令的發(fā)送、反饋及伺服狀態(tài)監(jiān)測與上傳（HMI）。

對MNM1221的控制是系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。系統(tǒng)在進入運行（MNM1221-Running）狀態(tài)后，一條指令的執(zhí)行需要經(jīng)歷二個環(huán)節(jié)：MCU-MNM1221-A5N。因此，每一個通訊周期的中斷事件中，首要任務(wù)就是與MNM1221數(shù)據(jù)交換，即MCU發(fā)送指令數(shù)據(jù)包、接收并檢測驅(qū)動器的反饋數(shù)據(jù)（包含：指令碼和狀態(tài)字等信息）。與伺服通信的關(guān)鍵控制流程[8]如圖1所示。

圖1 伺服通信控制流程圖

3 分析和測試

3.1 硬件測試平臺

搭建硬件平臺進行測試。平臺驅(qū)動器選擇A5N驅(qū)動器（型號：MADTH1507NA1）。硬件測試平臺主要組件如圖2所示。

圖2 硬件平臺組件（控制板卡、驅(qū)動器）

3.2 定位測試

在測試過程中，通過PANATERM監(jiān)測0號軸（A5N驅(qū)動器MACID：0）的狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 定位測試曲線

在定位測試中，命令數(shù)據(jù)包中位置指令是指令位置：0x7FFF（指令單位），目標速度為3000r/min，加減速度設(shè)為500（指令單位）/s2。通過實驗所得波形曲線可以看到，0號軸實速度曲線與指令速度曲線有良好的相似性，說明實速度對指令速度有很好的跟隨性。

4 結(jié)束語

本文作者面向注塑行業(yè)應(yīng)用，設(shè)計了一款總線型伺服控制板卡?？刂破髋c驅(qū)動器的通信采用RTEX協(xié)議，可支持Panasonic的A5N、A6N系列伺服。通過硬件平臺測試驗證：系統(tǒng)通信可靠、控制效率高、動作柔性好，驗證了系統(tǒng)的可靠性和實用性、在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)需要進一步完善安全機制，設(shè)計基于RTEX協(xié)議的I/O板，為現(xiàn)場帶載調(diào)試提供支撐。