嵌入式运动控制器在网络化交流伺服系统中的应用

　　一个多轴运动控制系统由高阶的运动控制器(motioncontroller)与低阶的伺服驱动器(servodriver)所组成，运动控制器负责运动控制命令译码、各个位置控制轴彼此间的相对运动、加减速轮廓控制等等，其主要关键在于降低整体系统运动控制的路径误差；伺服驱动器负责伺服电机的位置控制，主要关键在于降低伺服轴的追随误差。图1所示是一个多轴运动控制系统的简化控制方块图，在一般的情况下各轴之间的动态响应特性会有相当大的差异，在高速轮廓控制时(contouringcontrol)会造成显着的误差，因此必须设计一个运动控制器以整体考虑的观点来解决这个问题。
   
   图1多轴运动控制系统简化控制方块图
   　　传统的运动控制器体系结构存在很多缺陷，如体积过大、结构封闭、不支持网络通信等，从而导致控制器之间相互孤立，系统升级过程中大量资源浪费。ISP在线可编程技术、Internet技术以及嵌入式实时操作系统等信息技术的发展，使模块化、网络化、嵌入式、可重构的开放式智能运动控制器成为当前运动控制领域的一个重要发展方向，Siemens公司HorstKohlbert的预言“嵌入式以太网的现场设备，以及嵌入的Internet服务器不久都将成为现实”。德国JetterAG、英国的Trio、以色列的ELMO等公司的嵌入式智能运动控制器，宣布了“网络就是控制器”时代的到来。网络伺服的特点是：
   　　类似Internet的结构，对数据的实时传输不需要编程，不需要考虑网络的层次结构；
   　　对用户来说，只有一组数据和一个程序，所有数据在网络中只需表达一次，程序和数据均可以重复使用，网络扮演真正服务器的作用；
   　　可连接到Internet，实现整个工厂全球化联网；
   　　以太网既是连接到各种智能模块的系统总线，又是连接现场设备的现场总线。
   
   图2嵌入式运动控制器体系结构
   　　嵌入式运动控制器体系结构
   　　以工业局域网技术为基础的工厂自动化(FactoryAutomation简称FA)工程技术在最近10年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口(如RS-232C、RS485、RS-422等)和现场总线接口。这些接口的设置，显着地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力。图2给出了嵌入式运动控制器的体系结构，在运动控制器中，最关键的部分是控制信号生成模块，而这个部分是需要经常改进和升级的，采用硬件可重构技术，把需要升级的模块从系统中分离出来然后对它进行在线重构，即可完成升级操作。在基于PC机和运动控制器的体系结构中，通过网关实现通信，解决了网络通信问题。
   　　图1中可以看出将运动控制器划分为网络通信模块和运动控制模块两个主要部分。其中，网络通信模块直接与Internet连接，并按照预先确定的通信协议从控制台那里取得控制命令，然后将命令交给运动控制模块。运动控制模块则直接和电动机驱动器相连，它在对命令进行分析和判断之后，产生相应的电动机控制信号传送给电动机。另外，命令执行的结果也会返回给网络通信模块，由它再通过网络返回给控制台。
   
   图3网络控制分布式伺服系统
   　　网络化伺服控制的系统集成
   　　随着网络通讯技术的进步，采用实时网络通讯技术的伺服系统也随之发展。目前已有多种采用不同通讯协议的分布式运动控制系统，如基于以太网的协议(EtherNetIP、ProfiNet及EtherCAT)、现场总线标准(ProfiBus、CANopen、Devicenet、InterBus、ControlNet)，又如SERCOS、CC-LINK、Real-TimeEthernet、Real-TimeCANbus及制造商专有机制。
   　　应用高速网络技术于图3所示的分布式伺服系统有许多优点，诸如更灵活的系统应用、更佳的系统整合控制效果等等。为实现系统元件之间有效而可靠的通信，位置编码器也采用总线方式，目前应用还面临几个技术挑战。电机起动就是其中的一个，它会产生电气噪声并且具有相对较大的电流。此外，出于安全性及可靠性考虑，控制运动机制的通信通道必须非常可靠。与运动应用相关的挑战还涉及线缆布局(可能需要更长的布线)的限制。伺服系统的稳定性也对信号速率有一定的要求。
   　　基于独立性数字运动控制器的网络伺服系统的系统集成
   　　独立性的数字运动控制器的网络伺服系统就是在运动控制时，脱离计算机或工控机的通讯操作控制，直接把控制程序和要运行的程序下载到运动控制器本身所带的FLASHROM里面。有设备的外围触发信号触发程序就开始运行，图4是基于TRIO的网络伺服系统的系统集成的结构框图。
   
   　　基于独立性数字运动控制器的网络伺服系统的系统集成
   　　独立性的数字运动控制器的网络伺服系统就是在运动控制时，脱离计算机或工控机的通讯操作控制，直接把控制程序和要运行的程序下载到运动控制器本身所带的FLASHROM里面。有设备的外围触发信号触发程序就开始运行，图4是基于TRIO的网络伺服系统的系统集成的结构框图。
   
   
   图4基于多轴运动控制器的网络伺服结构
   　　图4中上位计算机通过接插支持TCPIP协议的网络通讯适配卡(100M)获得对以太网总线的支持，负责对整个系统的运行和工作状态进行监视管理。上位计算完成任务规划后，由第三方软件完成用户应用程序开发，根据TCPIP协议通过以太网将生成的程序指令传送给嵌入式多轴运动控制器。
   　　网络伺服运动控制系统中，控制器不断转译产生更新的位置命令(运动曲线)，通过现场总线下传给驱动器，总线节点解释指令以后转化为数字脉冲信号，控制交流伺服电机，这样完成命令所需定位。在一个多轴系统中，一个控制器可以控制多个电机驱动器。伺服电机是主要的执行部件，完成具体动作。图5中运动控制器可以采用英国TRIO公司的MC206，MC224，Euro205等独立型的运动控制器，这些控制器采用工业专用的32bit，120MHz～150MH     
   z的最新微处理技术，融合最新的控制理论及其网络控制技术，可选用不同的控制器可控制1～24个轴。可以用0～±10V的模拟量电压输出和编码器反馈形成全闭环控制，来控制伺服电机。也可以控制步进电机，变频器，气动，液压伺服，或者是这几种的任意结合。TRIO带有可编程控制的IO，也可根据设备需要进行扩展(最多512个IO)。
   
   　　基于触摸屏“＋”独立型数字控制器的开放控制系统
   　　在一些流水线生产设备或批量产品的加工设备上，需要修改某些加工的工艺数据或者需要监视设备的运行数据，例如登场裁切设备，对于裁切的长度就需要岁工艺的不同和产品的不同需要修改，因为触摸屏操作方便，价格便宜(比工控机便宜的多)，所以采用触摸屏来修改数据或显示所与需要监视的数据，如加工速度，产量等。
   　　TRIO、ELMO等独立型数字运动控制型的通讯口都具有Modbus、Ethernet协议，可以直接同各种各样的触摸屏进行数据交换，如HITECH，Schneider，EasyView等。其控制原理框图与基于独立型数字运动控制器的开放式数控系统集成一样，只是在数字运动控制的通讯口上接了一个触摸屏。笔者采用的是泉毅公司的PWS6600系列，其特征是多轴运动控制器通过Modbus或Ethernet与工业触摸屏相连，交流伺服驱动器之间以及交流伺服驱动器与多轴运动控制器之间通过现场总线相连，交流伺服驱动器的输出与交流伺服电机相连。
   　　基于PC机“＋”数字运动控制卡的开放式数控系统的系统集成
   　　有的设备由于所控制的工程和加工的零件负载，前面的两种系统集成方式都无法满足设备和加工工艺的要求，需要采用计算机与数字运动控制器结合，通过数组运动控制器的专用控制或者动态连接库，利用VB，VC等高级语言进行二次开发出专用或者通用的控制系统来控制设备的运动过程。
   　　TRIO公司的PCI208产品是一款基于PCI总线的数字运动控制卡，该控制卡采用工业专用的32bit浮点50MHz的DSP最新微处理技术，提高了运算速度和处理能力，融合了最新的控制理论及其网络控制技术，可以控制2～8个轴，可以控制伺服电机，步进电机，变频器，气动液压伺服缸或者这几种的任意结合，另外，还带有20个输入点和10个输出点，也带2个CAN总线扩展口，可以通过CAN总线扩展IO和16bit的模拟输入电压模块。
   　　运动控制器专用控制语言及编译系统
   　　运动控制语言是人的控制意图和控制器交流的主要方式。运动控制语言编写的程序，必须通过编译或解释来使运动控制器执行。所以运动控制语言及其编译器或解释器直接影响到运动控制器使用的难易，运动控制器功能的强弱，以及运动控制器响应的速度。
   　　高级语言形式的运动控制语言在国内还很少有人研究，国外的运动控制语言一般采用高级语言的形式，然后添加适合运动控制的指令进行扩展。本文主要介绍ELMO类VC语言ELMOStudio和TRIO类VB语言trioBASIC。
   　　ELMOStudio和trioBASIC等运动控制语言采用高级语言，指令简洁易懂易记，编程简单，具有基本的PLC和运动控制功能。PLC和运动控制功能的实现采用统一的一种编程语言，简化了程序的编写。ELMOStudio和trioBASIC等语言由上位机编译器对源程序进行词法、语法、语义进行分析，上位机编译器最终生成中间代码，然后下载到嵌入式运动控制器(下位机)中由解释器解释，下位机解释器使用一个循环结构读取并解释下载到运动控制器用户程序区的运动控制程序，进而实现运动控制和PLC控制。

　　ELMO类VC语言ELMOStudio和TRIO类VB语言trioBASIC语言是分别基于VC和VB语言的子集，并针对运动控制和PLC逻辑控制扩展了相应控制指令。他们都支持整型、和浮点型及布尔型等多种数据结构，程序整体结构采用函数组成，由主函数开始执行。程序的控制结构有循环结构for语句，while语句、选择分支结构if语句、无条件跳转等语句，程序支持的运算有算术运算、逻辑运算、关系运算。
   　　结语
   　　可编程片上技术(SOPC)技术的出现，使得运动控制器做到单个集成电路芯片大小，可以被嵌入到它所控制的电动机控制系统中，从而带来了模块化、网络化、嵌入式、可重构的开放式智能运动控制器。同时采用SOPC技术使运动控制编程更加简易，简化了维修和调试的复杂性，系统也更加稳定，可靠。21世纪是一个崭新的世纪，也定将是各项科学技术飞速发展的世纪。相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断升级和“柔性制造技术”的快速发展，必将为“柔性加工和制造技术”的核心技术之一的“伺服驱动技术”迎来又一大好的发展时机。