MECHATRONLINK-Ⅲ通訊型多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈陽康特機(jī)電設(shè)備有限公司 呂翠玉

沈陽機(jī)床股份有限公司數(shù)控刀架分公司 於成業(yè)

為達(dá)到高精度的自動(dòng)化生產(chǎn)需求，提出了一種以DSP28335為控制核心，以MECHATRONLINK-Ⅲ總線為通訊網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文章給出了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程，通過實(shí)際的應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、可靠控制，在一定程度上提高了設(shè)備的加工精度。

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)的穩(wěn)定和精準(zhǔn)，數(shù)字量通訊在逐漸替代模擬信號(hào)的傳遞，各種總線技術(shù)的開發(fā)和完善使得數(shù)字量通訊得到了更為廣泛的應(yīng)用。MECHATRONLINK-Ⅲ總線就是高速的、可用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。該總線在各控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。文章提出了基于MECHATRONLINK-Ⅲ總線的DSP運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)伺服或變頻軸精準(zhǔn)控制。

1 MECHATRONLINK-Ⅲ總線介紹

MECHATRONLINK-Ⅲ的目標(biāo)領(lǐng)域是以運(yùn)動(dòng)為中心的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，可以通過網(wǎng)絡(luò)電纜把主站、伺服從站、變頻從站和I/O從站等連接起來，實(shí)現(xiàn)信息交互，達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。MECHATRONLINK-Ⅲ的通訊速度可達(dá)到100Mbps的高速傳輸，通訊周期可根據(jù)連接的從站數(shù)量設(shè)定，文中設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的通訊周期設(shè)定為2ms，可連接的從站數(shù)量為15個(gè)伺服軸，4個(gè)變頻軸和一個(gè)I/O從站。

MMA協(xié)會(huì)提供了豐富的底層樣例代碼以及強(qiáng)大的技術(shù)支持，在很大程度上縮短了控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。

2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MECHATRONLINK-Ⅲ總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的CPU選用TI公司的TMS320F28335，通過數(shù)據(jù)和地址總線與Mechatrolink Ⅲ電路、CPLD電路、掉電存儲(chǔ)電路和SRAM相連，編碼器電路與DSP的eQEP模塊相連，通訊控制電路與DSP的SCI模塊相連，I/O接口電路連接到DSP的數(shù)據(jù)總線上，電源電路分別為各個(gè)模塊提供電源。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

其中Mechatrolink Ⅲ電路如圖2所示，包括依次連接的Mechatrolink Ⅲ協(xié)議芯片、Ethernet PHY芯片、電磁隔離芯片和外接連接器。DSP經(jīng)過CPLD對(duì)JL101進(jìn)行片選、復(fù)位和中斷讀取等控制，選用DSP的XINTF（外部接口）存儲(chǔ)區(qū)域中的區(qū)域6和區(qū)域7作為Mechatrolink Ⅲ的存儲(chǔ)區(qū)。

圖2 Mechatrolink Ⅲ通訊電路圖

文中設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過Mechatrolink Ⅲ總線對(duì)伺服軸、變頻軸和I/O從站進(jìn)行信息交互和控制，滿足設(shè)備的動(dòng)作需求。且運(yùn)動(dòng)控制裝置通過RS485與HMI人機(jī)界面通訊，以便于控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的觀測(cè)。

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件流程

根據(jù)實(shí)際搭建的硬件電路，分別對(duì)DSP和CPLD進(jìn)行程序編寫，具體的程序模塊主要包括I2C掉電存儲(chǔ)模塊、Modus RTU觸摸屏通訊模塊、TCP通訊模塊、故障處理模塊和基于Mechatrolink Ⅲ總線的運(yùn)動(dòng)控制模塊等；通過總線控制的軟件部分是基于Mechatrolink協(xié)會(huì)提供的主站驅(qū)動(dòng)程序，完成對(duì)從站和JLl01的初始化，并根據(jù)伺服從站、變頻從站和I/O從站類型的不同對(duì)字節(jié)數(shù)進(jìn)行區(qū)分定義，伺服從站為48byte，變頻從站為32byte，I/O從站為16byte。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為主站，負(fù)責(zé)給各從站發(fā)送控制命令，并讀取各從站的反饋信息，根據(jù)伺服和變頻從站反饋回的位置和速度等信息進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制。

文中設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用循環(huán)通信模式，設(shè)定的循環(huán)通信周期為2ms，伺服軸的移動(dòng)和定位采用POSING模式，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，點(diǎn)動(dòng)和切割采用VELVCTRL模式，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。變頻軸主要用于簡(jiǎn)單的定向移動(dòng)，并與接近開關(guān)配合進(jìn)行邏輯控制。程序可根據(jù)設(shè)備動(dòng)作的不同需求來對(duì)各軸進(jìn)行相應(yīng)命令的調(diào)用。具體對(duì)從站的控制邏輯如圖3所示。

圖3 命令運(yùn)行控制邏輯圖

4 實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

文中設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與安川Σ-7交流伺服、GA700變頻和MySystemI/O從站共同搭建控制柜，目前已實(shí)際應(yīng)用于線下焊管切割系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高速、穩(wěn)定切割，切割精準(zhǔn)度在±1mm左右。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用反饋，本文設(shè)計(jì)的基于MECHATRONLINK-Ⅲ總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠、高效精準(zhǔn)控制，各類從站連接方便，多軸控制簡(jiǎn)單優(yōu)化。若CPU的內(nèi)存足夠大，可以考慮連接更多從站，實(shí)現(xiàn)更多軸的控制。且可以了解MECHATRONLINK-4總線通訊，進(jìn)行更多從站的擴(kuò)展。