0 引言
數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是工業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，它直接影響著一個國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和綜合國力，近年來，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)動控制技術(shù)在一些機(jī)電一體化設(shè)備中得到了很廣泛的應(yīng)用。Ether CAT（Ethernet for Control Automation Technology）技術(shù)，也就是以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)，是德國BECKHOFF公司提出的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它具有通信速度快，數(shù)據(jù)量大，配置簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前很多工業(yè)控制領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。本文基于Ether CAT技術(shù)，對永磁伺服電機(jī)的控制器進(jìn)行了一定的研究。
當(dāng)前，隨著生產(chǎn)現(xiàn)場的各運(yùn)動設(shè)備的輸入和輸出節(jié)點(diǎn)不斷增多，并且，各個設(shè)備的運(yùn)動都要有生產(chǎn)現(xiàn)場總控計算機(jī)來控制管理，生產(chǎn)設(shè)備上電機(jī)數(shù)量不斷增多，控制要求不但提高，當(dāng)前普遍采用的方法是通過計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，而對于一些局部的或者是固定的運(yùn)動參數(shù)，則由現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立的控制，因此，該系統(tǒng)利用Ether CAT進(jìn)行設(shè)計，可以很好的滿足系統(tǒng)整體上的穩(wěn)定性和局部的實(shí)時性要求。
1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
基于Ether CAT的永磁伺服電機(jī)控制器系統(tǒng)采用主從式的結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：
圖1 基于Ether CAT的永磁伺服電機(jī)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
如圖1所示，該系統(tǒng)由一個Ether CAT通信主站和若干個Ether CAT伺服控制從站組成，主站與各個從站之間通過Ether CAT進(jìn)行連接，Ether CAT伺服控制從站的基礎(chǔ)是一塊控制地板，在控制底板上安裝有Ether CAT通信接口模塊，用于與主站和各個從站之間進(jìn)行通信，另外，底板上還有兩個運(yùn)動控制卡，而且，根據(jù)需要，可以在該底板上擴(kuò)展更多的運(yùn)動控制卡，通過每個運(yùn)動控制卡控制一個伺服電機(jī)的運(yùn)動。Ether CAT的控制底板采用Atmega128芯片作為它的控制芯片，而運(yùn)動控制卡采用的是多功能的位置控制卡，可以很好的完成速度閉環(huán)控制、位置閉環(huán)控制等多個方面的工作。很好的滿足了本系統(tǒng)的要求。
2 系統(tǒng)通信
Ether CAT的通信方式相對于其他以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線有了很大的區(qū)別，在幀的處理方式上，它突破了其他以太網(wǎng)解決方案的限制，為了滿足系統(tǒng)的需求，本系統(tǒng)在設(shè)計過程中，在應(yīng)用層對Ether CAT的數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新定義的過程。一般來說，數(shù)據(jù)模塊從總體上可以分成兩類，包括指令數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。這兩種數(shù)據(jù)模塊各有其不同的功能，在傳輸方式上也有一定的區(qū)別，指令數(shù)據(jù)的傳送方向是從Ether CAT通信主站到Ether CAT伺服控制器從站，用來通過控制器從站對伺服電機(jī)的運(yùn)動進(jìn)行控制，而狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳送方向是從Ether CAT伺服控制器從站到Ether CAT通信主站，首先，主站通過Ether CAT對從站發(fā)送一定的命令，由從站發(fā)出相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后，由通信主站進(jìn)行讀取，從而主站可以得到相應(yīng)的伺服電機(jī)的狀態(tài)反饋。本系統(tǒng)中，每個運(yùn)動控制卡都使用一個指令數(shù)據(jù)模塊和一個狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊。而在指令數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送的過程中，處于Ether CAT網(wǎng)絡(luò)上的每個子報文都由各個Ether CAT從站上的所有的運(yùn)動控制卡上的數(shù)據(jù)組成。
通信子報文的結(jié)構(gòu)如表1所示：
表1 通信子報文結(jié)構(gòu)
通信子報文中，首先是固定的報文頭部分，然后是每個Ether CAT從站上的每個運(yùn)動控制卡上的指令數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。其中每個數(shù)據(jù)部分由十個字節(jié)構(gòu)成，包含兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)模塊頭部分，兩個字節(jié)的控制字/狀態(tài)字部分，用來區(qū)分該部分是狀態(tài)數(shù)據(jù)還是指令數(shù)據(jù)，最后是六個字節(jié)的指令數(shù)據(jù)區(qū)或狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)示意圖
在以上數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)中，每個數(shù)據(jù)模塊頭占用兩個字節(jié)的空間，數(shù)據(jù)模塊頭中的內(nèi)容包括運(yùn)動控制卡的地址（4個位），工作方式（3位），握手位（1位）三個方面的信息。
利用以上通信報文結(jié)構(gòu)，Ether CAT通信主站和從站之間通過進(jìn)行周期性的通信過程來完成永磁伺服電機(jī)的控制過程。在通信過程中，通訊都是由主站發(fā)起的，兩個從站之間要進(jìn)行通信，必須要通過主站進(jìn)行，把主站當(dāng)做一個路由器。主站和伺服電機(jī)控制從站之間的通信時序如圖3所示：
圖3 基于Ether CAT的伺服電機(jī)控制器通信時序圖
首先，Ether CAT通信主站根據(jù)相應(yīng)的設(shè)置和命令發(fā)出數(shù)據(jù)幀，然后，伺服控制從站在T1之前讀取指令數(shù)據(jù)的內(nèi)容，并從報文中分析尋址到本機(jī)的報文，讀取相應(yīng)的控制命令，經(jīng)過一定的運(yùn)算之后，傳送到對應(yīng)的運(yùn)動控制卡模塊中從而對永磁式伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。
3 結(jié)束語
當(dāng)前，基于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)因?yàn)樗目煽啃浴⒖焖傩院头€(wěn)定性等種種優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文針對基于Ether CAT的永磁伺服電機(jī)控制器進(jìn)行了一定程度研究。在應(yīng)用層對數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖訄笪慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，能夠很好的滿足系統(tǒng)的要求。本文僅僅對系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了一定的研究，對于該控制器運(yùn)動控制方法上的多控制器以及大型運(yùn)動控制系統(tǒng)的構(gòu)成還需要更進(jìn)一步的研究。
