伺服驅(qū)動器MECHATROLINK-Ⅲ總線在多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

於成業(yè)， 楊春洋

（沈陽機(jī)床股份有限公司數(shù)控刀架分公司，沈陽110142）

0 引言

在傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中，運(yùn)動控制器與伺服驅(qū)動器之間通信大部分采用脈沖或模擬量信號，通過使用增加方向信號的單脈沖信號或雙脈沖信號進(jìn)行控制。這種控制方式接口雖然具有簡單、開放、無需通訊協(xié)議等優(yōu)點。相對于數(shù)字接口方式，它有如下缺點：只能單向傳送信息，嚴(yán)重限制了通訊的信息量；需要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，使得通訊數(shù)據(jù)分辨率低，抗干擾能力差，且容易產(chǎn)生漂移；傳統(tǒng)的單個模擬量接口只能連接機(jī)床一軸伺服驅(qū)動器，使得數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)軟硬件缺乏擴(kuò)展性和柔性，這一問題對于多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)顯得尤為明顯。

為了滿足高端客戶對高速高精度的多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的需求，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)與數(shù)控廠商對總線型數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)，其中日本安川電機(jī)開發(fā)的MECHATROLINK-Ⅲ就是高速的、可用于運(yùn)動控制的現(xiàn)場總線之一。

1 MECHATROLINK-Ⅲ現(xiàn)場總線

1.1 M-Ⅲ總線技術(shù)

MECHATROLINK-Ⅲ現(xiàn)場總線技術(shù)具有如下優(yōu)點：1)可達(dá)到100 MB/s的高速傳輸，31.25 μs的最小傳輸周期，以及可擴(kuò)展至62個從站；2)可通過循環(huán)傳輸進(jìn)行同步通信。即單個通訊周期內(nèi)主站可向從站連續(xù)發(fā)送相關(guān)指令(例如多軸數(shù)控機(jī)床的目標(biāo)位置、轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)等)，因此可對機(jī)床各軸協(xié)調(diào)同步地進(jìn)行控制；3)可根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量、連接站數(shù)選擇傳輸周期最佳值 (傳輸周期32.25~64 ms)；4)M-Ⅲ現(xiàn)場總線是以數(shù)控機(jī)床各軸運(yùn)動為中心的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，用一根電纜線可以將主站、運(yùn)動子站、外圍子站設(shè)備連接起來，并且電纜線采用雙絞屏蔽線進(jìn)行連接，可降低成本，提高抗干擾能力。

1.2 M-Ⅲ協(xié)議結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的Internet等類型的信息網(wǎng)絡(luò)不同，MECHATROLINK-Ⅲ現(xiàn)場總線本質(zhì)上是一種現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，它直接針對零件加工過程，因此控制網(wǎng)絡(luò)要求很高的實時性、數(shù)據(jù)完整性、簡便性、可靠性。為滿足以上特性，如表1所示，M-Ⅲ總線對標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，將基本協(xié)議放置在OSI模型中的第1、2、7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。

表1 MECHATROLINK-Ⅲ協(xié)議層

1.3 M-Ⅲ指令的數(shù)據(jù)格式

MECHATROLINK-Ⅲ協(xié)議每個命令是由主命令和子命令組成，只允許使用主命令。其中第0 byte的控制部主站命令側(cè)固定為03H，從站響應(yīng)側(cè)固定為01H，而第1至16 byte為主命令區(qū)，17至29 byte用作子命令區(qū)，30、31 byte保留。MECHATROLINK—Ⅲ備有完全能滿足各種用途的指令群。命令代碼從00H～1FH為通用指令組、20H～2FH為通用運(yùn)動指令組、30H～3FH為標(biāo)準(zhǔn)伺服指令組、40H～4FH為變頻指令組、50H～5FH為標(biāo)準(zhǔn)I/O指令組。此外，客戶可以利用80H～AFH來擴(kuò)展自己需要的伺服、變頻及I/O指令。一組標(biāo)準(zhǔn)伺服命令中可包括位置控制指令、速度控制指令、轉(zhuǎn)矩控制指令等，通過切換以上各指令，可使伺服電動機(jī)由位置控制切換為速度控制或轉(zhuǎn)矩控制。

下面以表2中NOP指令的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行介紹：表中主命令為1～16字節(jié)，其中命令側(cè)有命令代碼(OOH)和看門狗定時數(shù)據(jù)(WDT)；響應(yīng)側(cè)有警報信息(ALARM)、狀態(tài)信息(STATUS)以及從站的看門狗定時器數(shù)據(jù)(RWDT)，無論是長模式或短模式下都必須使用這16個字節(jié)才能調(diào)用NOP指令。17～29字節(jié)為子命令，只能在32 byte的長模式下，并且支持子命令擴(kuò)展的命令中才能使用。

1.4 M-Ⅲ自動重試機(jī)制

M-Ⅲ自動重試機(jī)制通過ASIC自動查出通訊錯誤，并再次發(fā)送的機(jī)能。即在每個循環(huán)通訊周期內(nèi)，當(dāng)某個從站發(fā)生通訊異常時，在單次傳輸周期內(nèi)數(shù)據(jù)指令會被執(zhí)行重試功能，M-Ⅲ專用的ASIC會再次重復(fù)對異常的從站發(fā)送數(shù)據(jù)，保證主站與從站間發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)指令準(zhǔn)確、穩(wěn)定。通過修改控制程序可方便地選擇重試的次數(shù)，一個通信周期內(nèi)最大重試次數(shù)為7次。

2 M-Ⅲ伺服驅(qū)動器設(shè)計

多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)平臺主要由3個部分組成：FPGA伺服板，DSP數(shù)字控制板和M-Ⅲ現(xiàn)場總線通信板。其中DSP控制板是整個控制系統(tǒng)的運(yùn)算平臺；通信板采用自行設(shè)計的MECHATROLINK-Ⅲ接口開發(fā)板，它與數(shù)控系統(tǒng)通過M-Ⅲ總線接口進(jìn)行通信。FPGA伺服板用于DSP板卡和通信板之間的總線信息傳遞，同時為各系統(tǒng)各部分提供電源。M-Ⅲ伺服驅(qū)動器設(shè)計方案如圖1所示。在FPGA板上布置了2個24 V獨(dú)立電源，分別對總線拓?fù)涞腎/O擴(kuò)展接口以及DSP和M-Ⅲ通信板供電，從而起到對這兩部分供電隔離的目的。DSP與上位機(jī)通信接口RS485布置在FPGA板上。在FPGA板上安裝2個德國HARTING的64針總線接插件的插槽，DSP核心板與MECHATROLINK-Ⅲ通信板各自帶1個插槽。依靠這種針式的總線接插件使2塊板牢固地嵌入到FPGA基礎(chǔ)板上，可靠性遠(yuǎn)勝于基于PCI總線的接插。另外此接口方案充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)模塊化、可擴(kuò)展和柔性的特點。若產(chǎn)品升級或設(shè)備維修，只需將相應(yīng)模塊替換即可。

表2 MECHATROLINK-Ⅲ指令數(shù)據(jù)格式

圖1 M-Ⅲ與DSP接口方案

對于多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，首先需要設(shè)定總線ASIC JL-080的工作模式為主站模式，將JL-080的MODSEL引腳通過電阻上拉至高電平，這里主站模式下的主CPU即為DSP。接下來是對ASIC的BWDT引腳進(jìn)行配置設(shè)定主站數(shù)據(jù)總線的寬度，若BWDT設(shè)為高電平，主站為16位數(shù)據(jù)總線；當(dāng)BWDT設(shè)為低電平，主站為8位數(shù)據(jù)總線。考慮到多軸聯(lián)動系統(tǒng)需要實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)精度要求高，并且DSP選用的是高性能浮點運(yùn)算，所以建議數(shù)據(jù)總線的寬度選擇16位，從而減輕系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。

M-ⅢASIC的發(fā)送與接收控制回路的設(shè)計是主從站采用同樣的物理層(高輸出RS-485收發(fā)器)作為驅(qū)動/接收器件。當(dāng)TX_EN引腳低電平有效時，ASIC向從站發(fā)送指令數(shù)據(jù)，當(dāng)RX_DV引腳低電平有效時，ASIC接收從站的響應(yīng)數(shù)據(jù)。連接器采用帶卡口的USB接口，電纜為雙腳屏蔽線，屏蔽效果好，傳輸信號穩(wěn)定，并且該線本身較軟不易折斷。

最后為了避免M-Ⅲ總線通訊出現(xiàn)異常發(fā)送錯誤指令造成機(jī)床出現(xiàn)“撞車”等嚴(yán)重后果。需要開啟M-Ⅲ通信錯誤處理機(jī)制。當(dāng)出現(xiàn)錯誤ASIC將會把錯誤信息傳遞到ERRlL引腳，再通過事先在機(jī)床面板上安裝的LED燈來監(jiān)控運(yùn)行狀況。若通信異常時LED燈亮；通信正常時LED燈熄滅。同時系統(tǒng)會立即切斷MECHATROLINK-Ⅲ通訊通道，禁止主站向從站發(fā)送任何數(shù)據(jù)。在電路設(shè)計上，將TXENH信號連接至驅(qū)動/接收器的發(fā)送使能控制信號，通訊異常時TXENH將輸出高電平，禁止驅(qū)動/接收器向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，起到保護(hù)作用。

3 結(jié)語

通過對MECHATROLINK-Ⅲ現(xiàn)場總線技術(shù)的研究，本文設(shè)計開發(fā)了一個符合M-Ⅲ通信協(xié)議的多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床驅(qū)動器。在該驅(qū)動器實際使用過程中，一定程度上解決了多軸系統(tǒng)中運(yùn)動控制與伺服系統(tǒng)的信息傳輸?shù)钠款i，最終確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，實現(xiàn)多軸同步協(xié)調(diào)控制。

[1]徐秀敏.MECHATROLINK-Ⅲ總線I/O從站設(shè)計與實現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2011(2):67-68.

[2]劉偉強(qiáng).用于運(yùn)動控制的開放型通信總線MECHATROLINK[J].伺服控制,2008(8):54-55.

[3]林宋,田建君.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[4]劉春枚,余致廷,林立君.PROFIBUS智能從站的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化儀表,2006(1):33-35.

[5]宋桃桃.基于實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)通信平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].沈陽:中國科學(xué)院研究生院(沈陽計算技術(shù)研究所),2008.

[6]胡毅,于東,李培楠,等.基于現(xiàn)場總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].小型微型計算機(jī)系統(tǒng),2008,29(9):1745-1749.

[7]王國興,何方.基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線設(shè)計與實現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2010(4):61-63.

[8]高玲玲.伺服電動機(jī)模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù),2008(7):1335-1336.

[9]劉明燈,陸啟建.直線電動機(jī)與DSP高速運(yùn)動控制器的應(yīng)用[J].中國機(jī)械工程,l999(10):1142-1143.

[10]王成文,周美文,郭慶.矢量控制交流伺服驅(qū)動電動機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.

[11]WAKERLY J F.Digital Design Principals and Practices[M].Beijing:China Machine Press,2003.

[12]施群,王小椿.基于PCI總線的機(jī)床多軸運(yùn)動控制器研究與設(shè)計[J].機(jī)床與液壓,2004(4):49-51.

[13]劉篤仁,楊萬海.在系統(tǒng)可編程技術(shù)及其器件原理與應(yīng)用[D].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999.

[14]張柱銀,陳思義,明興祖.數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[15]張潔,羅欣,杜潤生.智能化數(shù)控加工單元的遠(yuǎn)程操作與控制系統(tǒng)[J].中國機(jī)械工程,2000(7):753-756.

[16]王振華,朱國力.基于現(xiàn)場總線的新型開放式數(shù)控系統(tǒng)研究[J].中國機(jī)械工程,200l(12):395-397. （責(zé)任編輯 邵明濤）