無軸傳動同步控制系統中SERCOS總線接口設計

摘要:本文結合SERCOS接口的特點和無軸傳動系統結構,設計了串行無軸傳動控制器SERCOS接口卡的硬件系統和軟件流程。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。

關鍵詞:無軸傳動;同步控制;SERCOS總線

1引言

無軸傳動技術是一門新興的、跨學科的綜合性技術,它以相互獨立的伺服電機驅動系統代替傳統的機械長軸傳動,并通過網絡、程序軟件等形成內部虛擬電子軸,各電子軸通過現場總線連接,進行數據的可靠交換和高速通訊,各個伺服電機跟隨電子主軸運轉,以保證各伺服電機的相位嚴格同步[1]。由于無軸傳動克服了機械長軸傳動中的傳動構件過多造成的累積誤差、過度磨擦,以及設備機械結構復雜、體積龐大、維修困難,安裝調試不方便等機械傳動技術難題,目前在機器人、印刷機、大型同步軋機、數控機床等要求實現多軸同步傳動的領域,無軸傳動技術得到了廣泛的應用[2]。

在無軸傳動系統中,關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接口卡的軟硬件進行了設計。

2SERCOS總線接口特點

SERCOS(Serial Real-time Communication System)由德國工業界于20世紀80年代中期提出,它是一種用于數字伺服和控制器之間的高速串行通信的現場總線接口和數字交換協議,專門針對自動化系統中的多軸運動控制系統而設計,是目前唯一的有關運動控制的國際通訊標準[3][4],我國于2002年也正式頒布了SERCOS協議的國家標準。其接口主要特點為:

(1)控制環模式:在SERCOS接口中,位置環在數字驅動器內閉合,控制器中的閉環數減少到零?？刂破鞑恍枰恢梅答?控制器與數字智能驅動器之間通過SERCOS傳遞位置參數等,減少了控制器的運算周期,增加可控軸的數量。

(2)傳輸介質:SERCOS總線用塑料光纜或玻璃光纜構成一個環型回路,可以有效地排除電磁干擾。

(3)通訊結構:SERCOS采用主從站通訊結構,主站控制該環上的所有通訊,環內交換的信息完全取決于控制器和驅動器間的任務分配,控制器是主控者,驅動器只對控制器的請求作出響應,信息的交換僅僅發生在控制器和驅動器間。從站即負責驅動器和控制器的信息交換,又作為中繼器傳遞數據,解決了高速串行通信環的分段問題,使SERCOS接口可以支持離散設備。

3 SERCOS接口卡硬件設計

3.1 接口卡硬件總體設計

接口卡的總體設計框圖如圖1所示。

該接口卡的SERCOS總線控制器選用SERCON816。SERCON816資源豐富,功能強大,內有43個16位的控制寄存器、34個內部中斷源、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總線的數據鏈路層,通過設定片內寄存器和讀寫結構化的雙口RAM即可實現總線通訊。這款芯片報文處理的時鐘頻率最高可達16 M,即可在最短為62.5μs的固定周期內實現一主多從的環形通訊。

接口卡微處理器選用TMS320F2812。TMS320F2812是在TMS320F24X的基礎上開發的高性能定點數字信號處理器芯片,其先進的內部和外設結構使得該處理器特別適合電動機及其他運動控制應用。TMS320F2812具有32位定點DSP內核、主頻達150 MHz、指令周期6.67 ns,片上有豐富的外設資源, 主要有18 kb的RAM、128 KB的Flash、事件管理器(EV)、16路12 位的A/D轉換單元、3 個32 位的CPU 時鐘、14 個CPU內核中斷、3個外部中斷、96個外設中斷,以及串口外設包括eCAN 總線、McBSP、SPI 和SCI 接口等。

另外,本卡采用IS61LV25616AL外部擴展了256K×16的SRAM來滿足SERCOS接口中大量IDN數據對內存的需求;顯示診斷信息的四位LED數碼管則由具有IIC總線的SAA1064來驅動;采用ATMEL公司生產的具有IIC總線接口的4K×16串行EEPROM AT24C16用來存放初始化參數,這些初始化參數根據具體的應用環境來確定,并由PC機通過SERCOS接口卡的RS232接口來對其進行讀寫。

3.2 SERCON816與微處理器的接口設計

SERCON816與TMS320F2812的接口電路見圖2。

SERCON816采用+5V供電而TMS320F2812外設采用3.3V供電,所以在SERCON816與F2812的總線接口中要增加電平轉換電路。在這里采用帶方向控制引腳的16位總線緩沖器74LVC162245來實現此功能。

4SERCOS接口卡軟件設計

3.1 主程序設計

軟件系統在總體上分為主程序和中斷服務程序。主程序主要實現系統初始化、SERCON816初始化及任務管理等功能。軟件系統的主程序流程見圖3所示。

4.2 SERCON816的初始化

SERCON816初始化主要包括RAM報文數據初始化、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置控制寄存器中的相應位來完成的。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環路是否閉合;

CP1:識別環路上的伺服裝置,使用非周期性的數據傳輸。其工作原理是:主站依次向每個伺服裝置發送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,則它應在下一個通信周期發送一個ATm電報作為應答。如果所有的伺服裝置都正確作出應答,則可以進入下一個通信階段CP2;

CP2:為周期性通信階段CP3和CP4設置通信參數,使用和CP1相同的非周期性的數據傳輸;

CP3:繼續設置相關的伺服參數,數據傳輸通過為周期性運行的電報實現;

CP4:結束初始化過程,系統進入正常運行階段。在初始化過程中,如果伺服電源關閉或出現硬件故障,則狀態返回到CP0的狀態。

5結束語

SERCOS總線具有完全開放的通訊結構、嚴格的同步機制和極佳的抗干擾能力等優點,文章從SERCOS的特點出發,設計了基于SERCOS總線和DSP的無軸傳動分布式同步控制系統接口卡,對SERCOS接口卡硬件部分及軟件部分進行了具體的設計與分析。實踐證明該方案在惡劣的環境下能夠可靠地實現對多軸運動的實時同步控制,適應了當前國際市場與技術的發展。

參考文獻

[1] 宋曉亮,康存鋒,馬春敏等.軟PLC和SERCOS技術在無軸印刷控制系統中的應用[J].制造業自動化,2007,08:92-93

[2] 余義,楊建武,崔凱.開放式控制系統中SERCOS總線的接口設計與實現 [J].計算機測量與控制.2005,13(11):1257-1259

[3] RIGOBERT KYNAST.SERCOS interface Technical Overview.1999. http://www.sercos. org/pdf/praes-sercos -overview2.pdf

[4] 陳衛福,楊建武.開放式數控系統及SERCOS接口應用技術[M].機械工業出版社.2003

作者簡介

王艷平,研究生,講師;研究方向:現代控制網絡與通信系統。