無軸傳動同步控制系統(tǒng)中SERCOS總線接口設(shè)計

1、    無軸傳動同步控制系統(tǒng)中sercos總線接口設(shè)計    摘要:本文結(jié)合sercos接口的特點和無軸傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計了串行無軸傳動控制器sercos接口卡的硬件系統(tǒng)和軟件流程。實踐表明,該方案能夠完成對大量軸的高精度同步運動控制。關(guān)鍵詞:無軸傳動;同步控制;sercos總線 1引言無軸傳動技術(shù)是一門新興的、跨學(xué)科的綜合性技術(shù),它以相互獨立的伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械長軸傳動,并通過網(wǎng)絡(luò)、程序軟件等形成內(nèi)部虛擬電子軸,各電子軸通過現(xiàn)場總線連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠交換和高速通訊,各個伺服電機(jī)跟隨電子主軸運轉(zhuǎn),以保證各伺服電機(jī)的相位嚴(yán)格同步1。由于無軸傳

2、動克服了機(jī)械長軸傳動中的傳動構(gòu)件過多造成的累積誤差、過度磨擦,以及設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、維修困難,安裝調(diào)試不方便等機(jī)械傳動技術(shù)難題,目前在機(jī)器人、印刷機(jī)、大型同步軋機(jī)、數(shù)控機(jī)床等要求實現(xiàn)多軸同步傳動的領(lǐng)域,無軸傳動技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用2。在無軸傳動系統(tǒng)中,關(guān)鍵裝備是無軸傳動控制器(shaftless drives controller),它主要完成對多軸的運動控制,并為生產(chǎn)過程控制提供硬件平臺。無軸傳動控制器控制多軸運行可以采用串行控制方式和并行控制方式。本文針對大量軸控制采用串行控制方式,并就串行總線sercos接口卡的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計。2sercos總線接口特點sercos(seri

3、al real-time communication system)由德國工業(yè)界于20世紀(jì)80年代中期提出,它是一種用于數(shù)字伺服和控制器之間的高速串行通信的現(xiàn)場總線接口和數(shù)字交換協(xié)議,專門針對自動化系統(tǒng)中的多軸運動控制系統(tǒng)而設(shè)計,是目前唯一的有關(guān)運動控制的國際通訊標(biāo)準(zhǔn)34,我國于2002年也正式頒布了sercos協(xié)議的國家標(biāo)準(zhǔn)。其接口主要特點為:(1)控制環(huán)模式:在sercos接口中,位置環(huán)在數(shù)字驅(qū)動器內(nèi)閉合,控制器中的閉環(huán)數(shù)減少到零?？刂破鞑恍枰恢梅答?控制器與數(shù)字智能驅(qū)動器之間通過sercos傳遞位置參數(shù)等,減少了控制器的運算周期,增加可控軸的數(shù)量。(2)傳輸介質(zhì):sercos總線用塑料

4、光纜或玻璃光纜構(gòu)成一個環(huán)型回路,可以有效地排除電磁干擾。(3)通訊結(jié)構(gòu):sercos采用主從站通訊結(jié)構(gòu),主站控制該環(huán)上的所有通訊,環(huán)內(nèi)交換的信息完全取決于控制器和驅(qū)動器間的任務(wù)分配,控制器是主控者,驅(qū)動器只對控制器的請求作出響應(yīng),信息的交換僅僅發(fā)生在控制器和驅(qū)動器間。從站即負(fù)責(zé)驅(qū)動器和控制器的信息交換,又作為中繼器傳遞數(shù)據(jù),解決了高速串行通信環(huán)的分段問題,使sercos接口可以支持離散設(shè)備。3 sercos接口卡硬件設(shè)計3.1 接口卡硬件總體設(shè)計接口卡的總體設(shè)計框圖如圖1所示。該接口卡的sercos總線控制器選用sercon816。sercon816資源豐富,功能強(qiáng)大,內(nèi)有43個16位的控制寄

5、存器、34個內(nèi)部中斷源、2個外部中斷引腳、2 kb雙口ram、1個看門狗定時器及dma控制器。該芯片集成了sercos總線的數(shù)據(jù)鏈路層,通過設(shè)定片內(nèi)寄存器和讀寫結(jié)構(gòu)化的雙口ram即可實現(xiàn)總線通訊。這款芯片報文處理的時鐘頻率最高可達(dá)16 m,即可在最短為62.5s的固定周期內(nèi)實現(xiàn)一主多從的環(huán)形通訊。接口卡微處理器選用tms320f2812。tms320f2812是在tms320f24x的基礎(chǔ)上開發(fā)的高性能定點數(shù)字信號處理器芯片,其先進(jìn)的內(nèi)部和外設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合電動機(jī)及其他運動控制應(yīng)用。tms320f2812具有32位定點dsp內(nèi)核、主頻達(dá)150 mhz、指令周期6.67 ns,片上有豐

6、富的外設(shè)資源, 主要有18 kb的ram、128 kb的flash、事件管理器(ev)、16路12 位的a/d轉(zhuǎn)換單元、3 個32 位的cpu 時鐘、14 個cpu內(nèi)核中斷、3個外部中斷、96個外設(shè)中斷,以及串口外設(shè)包括ecan 總線、mcbsp、spi 和sci 接口等。另外,本卡采用is61lv25616al外部擴(kuò)展了256k×16的sram來滿足sercos接口中大量idn數(shù)據(jù)對內(nèi)存的需求;顯示診斷信息的四位led數(shù)碼管則由具有iic總線的saa1064來驅(qū)動;采用atmel公司生產(chǎn)的具有iic總線接口的4k×16串行eeprom at24c16用來存放初始化參數(shù),這

7、些初始化參數(shù)根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境來確定,并由pc機(jī)通過sercos接口卡的rs232接口來對其進(jìn)行讀寫。3.2 sercon816與微處理器的接口設(shè)計sercon816與tms320f2812的接口電路見圖2。sercon816采用+5v供電而tms320f2812外設(shè)采用3.3v供電,所以在sercon816與f2812的總線接口中要增加電平轉(zhuǎn)換電路。在這里采用帶方向控制引腳的16位總線緩沖器74lvc162245來實現(xiàn)此功能。4sercos接口卡軟件設(shè)計3.1 主程序設(shè)計軟件系統(tǒng)在總體上分為主程序和中斷服務(wù)程序。主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、sercon816初始化及任務(wù)管理等功能。軟件系統(tǒng)的主

8、程序流程見圖3所示。4.2 sercon816的初始化sercon816初始化主要包括ram報文數(shù)據(jù)初始化、硬件配置初始化和通訊初始化,其硬件配置初始化和通訊初始化主要是通過設(shè)置控制寄存器中的相應(yīng)位來完成的。流程圖如4所示。4.3 sertcos接口的初始化sercos的初始化過程分為5個通信階段,其流程見圖5。cp0:檢查sercos環(huán)路是否閉合;cp1:識別環(huán)路上的伺服裝置,使用非周期性的數(shù)據(jù)傳輸。其工作原理是:主站依次向每個伺服裝置發(fā)送mdtm(m是控制器的站地址)電報,mdtm的地址域中包含的是待識別的伺服裝置的地址。如果被識別的伺服裝置工作正常,則它應(yīng)在下一個通信周期發(fā)送一個atm電

9、報作為應(yīng)答。如果所有的伺服裝置都正確作出應(yīng)答,則可以進(jìn)入下一個通信階段cp2;cp2:為周期性通信階段cp3和cp4設(shè)置通信參數(shù),使用和cp1相同的非周期性的數(shù)據(jù)傳輸;cp3:繼續(xù)設(shè)置相關(guān)的伺服參數(shù),數(shù)據(jù)傳輸通過為周期性運行的電報實現(xiàn);cp4:結(jié)束初始化過程,系統(tǒng)進(jìn)入正常運行階段。在初始化過程中,如果伺服電源關(guān)閉或出現(xiàn)硬件故障,則狀態(tài)返回到cp0的狀態(tài)。5結(jié)束語sercos總線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等優(yōu)點,文章從sercos的特點出發(fā),設(shè)計了基于sercos總線和dsp的無軸傳動分布式同步控制系統(tǒng)接口卡,對sercos接口卡硬件部分及軟件部分進(jìn)行了具體的設(shè)計與

10、分析。實踐證明該方案在惡劣的環(huán)境下能夠可靠地實現(xiàn)對多軸運動的實時同步控制,適應(yīng)了當(dāng)前國際市場與技術(shù)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)1 宋曉亮,康存鋒,馬春敏等.軟plc和sercos技術(shù)在無軸印刷控制系統(tǒng)中的應(yīng)用j.制造業(yè)自動化,2007,08:92-932 余義,楊建武,崔凱.開放式控制系統(tǒng)中sercos總線的接口設(shè)計與實現(xiàn) j.計算機(jī)測量與控制.2005,13(11):1257-12593 rigobert kynast.sercos interface technical overview.1999. http:/www.sercos. org/pdf/praes-sercos -overview2.pdf4 陳衛(wèi)福,楊建武.開放式數(shù)控系統(tǒng)及sercos接口應(yīng)用技術(shù)m.機(jī)械工業(yè)出版社.2003作者簡介