嵌入式linux驅動開發(fā)教程_嵌入式運動控制器在網(wǎng)絡化交流伺服

小嵌

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

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



圖1多軸運動控制系統(tǒng)簡化控制方塊圖  

　　傳統(tǒng)的運動控制器體系結構存在很多缺陷，如體積過大、結構封閉、不支持網(wǎng)絡通信等，從而導致控制器之間相互孤立，系統(tǒng)升級過程中大量資源浪費。ISP在線可編程技術、Internet技術以及嵌入式實時操作系統(tǒng)等信息技術的發(fā)展，使模塊化、網(wǎng)絡化、嵌入式、可重構的開放式智能運動控制器成為當前運動控制領域的一個重要發(fā)展方向，Siemens公司HorstKohlbert的預言“嵌入式以太網(wǎng)的現(xiàn)場設備 ，以及嵌入的Internet服務器不久都將成為現(xiàn)實”。德國JetterAG、英國的Trio、以色列的ELMO等公司的嵌入式智能運動控制器，宣布了“網(wǎng)絡就是控制器”時代的到來。網(wǎng)絡伺服的特點是：  

　　類似Internet的結構，對數(shù)據(jù)的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡的層次結構；  

　　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)絡中只需表達一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復使用，網(wǎng)絡扮演真正服務器的作用；  

　　可連接到Internet，實現(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)場設備的現(xiàn)場總線。



圖2嵌入式運動控制器體系結構

　　嵌入式運動控制器體系結構

　　以工業(yè)局域網(wǎng)技術為基礎的工廠自動化（FactoryAutomation簡稱FA）工程技術在最近10年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標準的串行通信接口（如RS-232C、RS485、RS-422等）和現(xiàn)場總線接口。這些接口的設置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設備間的互聯(lián)能力。圖2給出了嵌入式運動控制器的體系結構，在運動控制器中，最關鍵的部分是控制信號生成模塊，而這個部分是需要經常改進和升級的，采用硬件可重構技術，把需要升級的模塊從系統(tǒng)中分離出來然后對它進行在線重構，即可完成升級操作。在基于PC機和運動控制器的體系結構中，通過網(wǎng)關實現(xiàn)通信，解決了網(wǎng)絡通信問題。  

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



圖3網(wǎng)絡控制分布式伺服系統(tǒng)

　　網(wǎng)絡化伺服控制的系統(tǒng)集成

　　隨著網(wǎng)絡通訊技術的進步，采用實時網(wǎng)絡通訊技術的伺服系統(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)場總線標準（ProfiBus、CANopen、Devicenet、InterBus、ControlNet），又如SERCOS、CC-LINK、Real-TimeEthernet、Real-TimeCANbus及制造商專有機制。  

　　應用高速網(wǎng)絡技術于圖3所示的分布式伺服系統(tǒng)有許多優(yōu)點，諸如更靈活的系統(tǒng)應用、更佳的系統(tǒng)整合控制效果等等。為實現(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，目前應用還面臨幾個技術挑戰(zhàn)。電機起動就是其中的一個，它會產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，控制運動機制的通信通道必須非�？煽�。與運動應用相關的挑戰(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。  

　　基于獨立性數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成

　　獨立性的數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)就是在運動控制時，脫離計算機或工控機的通訊操作控制，直接把控制程序和要運行的程序下載到運動控制器本身所帶的FLASHROM里面。有設備的外圍觸發(fā)信號觸發(fā)程序就開始運行，圖4是基于TRIO的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結構框圖。  

基于獨立性數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成

　　獨立性的數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)就是在運動控制時，脫離計算機或工控機的通訊操作控制，直接把控制程序和要運行的程序下載到運動控制器本身所帶的FLASHROM里面。有設備的外圍觸發(fā)信號觸發(fā)程序就開始運行，圖4是基于TRIO的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結構框圖。  





圖4基于多軸運動控制器的網(wǎng)絡伺服結構

　　圖4中上位計算機通過接插支持TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡通訊適配卡（100M）獲得對以太網(wǎng)總線的支持，負責對整個系統(tǒng)的運行和工作狀態(tài)進行監(jiān)視管理。上位計算完成任務規(guī)劃后，由第三方軟件完成用戶應用程序開發(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動控制器。  

　　網(wǎng)絡伺服運動控制系統(tǒng)中，控制器不斷轉譯產生更新的位置命令（運動曲線），通過現(xiàn)場總線下傳給驅動器，總線節(jié)點解釋指令以后轉化為數(shù)字脈沖信號，控制交流伺服電機，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驅動器。伺服電機是主要的執(zhí)行部件，完成具體動作。圖5中運動控制器可以采用英國TRIO公司的MC206，MC224，Euro205等獨立型的運動控制器，這些控制器采用工業(yè)專用的32bit，120MHz～150MH