嵌入式linux驅(qū)動開發(fā)教程_嵌入式運(yùn)動控制器在網(wǎng)絡(luò)化交流伺服

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一個多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)由高階的運(yùn)動控制器（motioncontroller）與低階的伺服驅(qū)動器（servodriver）所組成，運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)運(yùn)動控制命令譯碼、各個位置控制軸彼此間的相對運(yùn)動、加減速輪廓控制等等。  

其主要關(guān)鍵在于降低整體系統(tǒng)運(yùn)動控制的路徑誤差；伺服驅(qū)動器負(fù)責(zé)伺服電機(jī)的位置控制，主要關(guān)鍵在于降低伺服軸的追隨誤差。圖1所示是一個多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的簡化控制方塊圖，在一般的情況下各軸之間的動態(tài)響應(yīng)特性會有相當(dāng)大的差異，在高速輪廓控制時（contouringcontrol）會造成顯著的誤差，因此必須設(shè)計一個運(yùn)動控制器以整體考慮的觀點(diǎn)來解決這個問題。  



圖1多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)簡化控制方塊圖  

　　傳統(tǒng)的運(yùn)動控制器體系結(jié)構(gòu)存在很多缺陷，如體積過大、結(jié)構(gòu)封閉、不支持網(wǎng)絡(luò)通信等，從而導(dǎo)致控制器之間相互孤立，系統(tǒng)升級過程中大量資源浪費(fèi)。ISP在線可編程技術(shù)、Internet技術(shù)以及嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)等信息技術(shù)的發(fā)展，使模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、嵌入式、可重構(gòu)的開放式智能運(yùn)動控制器成為當(dāng)前運(yùn)動控制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，Siemens公司HorstKohlbert的預(yù)言“嵌入式以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備 ，以及嵌入的Internet服務(wù)器不久都將成為現(xiàn)實(shí)”。德國JetterAG、英國的Trio、以色列的ELMO等公司的嵌入式智能運(yùn)動控制器，宣布了“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”時代的到來。網(wǎng)絡(luò)伺服的特點(diǎn)是：  

　　類似Internet的結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)；  

　　對用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用；  

　　可連接到Internet，實(shí)現(xiàn)整個工廠全球化聯(lián)網(wǎng)；  

　　以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)場總線。



圖2嵌入式運(yùn)動控制器體系結(jié)構(gòu)

　　嵌入式運(yùn)動控制器體系結(jié)構(gòu)

　　以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化（FactoryAutomation簡稱FA）工程技術(shù)在最近10年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232C、RS485、RS-422等）和現(xiàn)場總線接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力。圖2給出了嵌入式運(yùn)動控制器的體系結(jié)構(gòu)，在運(yùn)動控制器中，最關(guān)鍵的部分是控制信號生成模塊，而這個部分是需要經(jīng)常改進(jìn)和升級的，采用硬件可重構(gòu)技術(shù)，把需要升級的模塊從系統(tǒng)中分離出來然后對它進(jìn)行在線重構(gòu)，即可完成升級操作。在基于PC機(jī)和運(yùn)動控制器的體系結(jié)構(gòu)中，通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)通信，解決了網(wǎng)絡(luò)通信問題。  

　　圖1中可以看出將運(yùn)動控制器劃分為網(wǎng)絡(luò)通信模塊和運(yùn)動控制模塊兩個主要部分。其中，網(wǎng)絡(luò)通信模塊直接與Internet連接，并按照預(yù)先確定的通信協(xié)議從控制臺那里取得控制命令，然后將命令交給運(yùn)動控制模塊。運(yùn)動控制模塊則直接和電動機(jī)驅(qū)動器相連，它在對命令進(jìn)行分析和判斷之后，產(chǎn)生相應(yīng)的電動機(jī)控制信號傳送給電動機(jī)。另外，命令執(zhí)行的結(jié)果也會返回給網(wǎng)絡(luò)通信模塊，由它再通過網(wǎng)絡(luò)返回給控制臺。  



圖3網(wǎng)絡(luò)控制分布式伺服系統(tǒng)

　　網(wǎng)絡(luò)化伺服控制的系統(tǒng)集成

　　隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的進(jìn)步，采用實(shí)時網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的伺服系統(tǒng)也隨之發(fā)展。目前已有多種采用不同通訊協(xié)議的分布式運(yùn)動控制系統(tǒng)，如基于以太網(wǎng)的協(xié)議（EtherNetIP、ProfiNet及EtherCAT）、現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)（ProfiBus、CANopen、Devicenet、InterBus、ControlNet），又如SERCOS、CC-LINK、Real-TimeEthernet、Real-TimeCANbus及制造商專有機(jī)制。  

　　應(yīng)用高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于圖3所示的分布式伺服系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，諸如更靈活的系統(tǒng)應(yīng)用、更佳的系統(tǒng)整合控制效果等等。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)元件之間有效而可靠的通信，位置編碼器也采用總線方式，目前應(yīng)用還面臨幾個技術(shù)挑戰(zhàn)。電機(jī)起動就是其中的一個，它會產(chǎn)生電氣噪聲并且具有相對較大的電流。此外，出于安全性及可靠性考慮，控制運(yùn)動機(jī)制的通信通道必須非�？煽�。與運(yùn)動應(yīng)用相關(guān)的挑戰(zhàn)還涉及線纜布局（可能需要更長的布線）的限制。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性也對信號速率有一定的要求。  

　　基于獨(dú)立性數(shù)字運(yùn)動控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成

　　獨(dú)立性的數(shù)字運(yùn)動控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)就是在運(yùn)動控制時，脫離計算機(jī)或工控機(jī)的通訊操作控制，直接把控制程序和要運(yùn)行的程序下載到運(yùn)動控制器本身所帶的FLASHROM里面。有設(shè)備的外圍觸發(fā)信號觸發(fā)程序就開始運(yùn)行，圖4是基于TRIO的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)框圖。  

基于獨(dú)立性數(shù)字運(yùn)動控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成

　　獨(dú)立性的數(shù)字運(yùn)動控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)就是在運(yùn)動控制時，脫離計算機(jī)或工控機(jī)的通訊操作控制，直接把控制程序和要運(yùn)行的程序下載到運(yùn)動控制器本身所帶的FLASHROM里面。有設(shè)備的外圍觸發(fā)信號觸發(fā)程序就開始運(yùn)行，圖4是基于TRIO的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)框圖。  





圖4基于多軸運(yùn)動控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服結(jié)構(gòu)

　　圖4中上位計算機(jī)通過接插支持TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊適配卡（100M）獲得對以太網(wǎng)總線的支持，負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)的運(yùn)行和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視管理。上位計算完成任務(wù)規(guī)劃后，由第三方軟件完成用戶應(yīng)用程序開發(fā)，根據(jù)TCPIP協(xié)議通過以太網(wǎng)將生成的程序指令傳送給嵌入式多軸運(yùn)動控制器。  

　　網(wǎng)絡(luò)伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)中，控制器不斷轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生更新的位置命令（運(yùn)動曲線），通過現(xiàn)場總線下傳給驅(qū)動器，總線節(jié)點(diǎn)解釋指令以后轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號，控制交流伺服電機(jī)，這樣完成命令所需定位。在一個多軸系統(tǒng)中，一個控制器可以控制多個電機(jī)驅(qū)動器。伺服電機(jī)是主要的執(zhí)行部件，完成具體動作。圖5中運(yùn)動控制器可以采用英國TRIO公司的MC206，MC224，Euro205等獨(dú)立型的運(yùn)動控制器，這些控制器采用工業(yè)專用的32bit，120MHz～150MH