伺服驅動器MECHATROLINK-Ⅲ總線在多軸聯動數控機床上的應用

於成業， 楊春洋

（沈陽機床股份有限公司數控刀架分公司，沈陽110142）

0 引言

在傳統數控機床控制系統中，運動控制器與伺服驅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行控制。這種控制方式接口雖然具有簡單、開放、無需通訊協議等優點。相對于數字接口方式，它有如下缺點：只能單向傳送信息，嚴重限制了通訊的信息量；需要用到數模轉換器，使得通訊數據分辨率低，抗干擾能力差，且容易產生漂移；傳統的單個模擬量接口只能連接機床一軸伺服驅動器，使得數控機床系統軟硬件缺乏擴展性和柔性，這一問題對于多軸聯動數控機床系統顯得尤為明顯。

為了滿足高端客戶對高速高精度的多軸聯動數控機床的需求，國內外多家研究機構與數控廠商對總線型數控系統進行了研發，其中日本安川電機開發的MECHATROLINK-Ⅲ就是高速的、可用于運動控制的現場總線之一。

1 MECHATROLINK-Ⅲ現場總線

1.1 M-Ⅲ總線技術

MECHATROLINK-Ⅲ現場總線技術具有如下優點：1)可達到100 MB/s的高速傳輸，31.25 μs的最小傳輸周期，以及可擴展至62個從站；2)可通過循環傳輸進行同步通信。即單個通訊周期內主站可向從站連續發送相關指令(例如多軸數控機床的目標位置、轉矩數據、速度數據等)，因此可對機床各軸協調同步地進行控制；3)可根據傳輸數據量、連接站數選擇傳輸周期最佳值 (傳輸周期32.25~64 ms)；4)M-Ⅲ現場總線是以數控機床各軸運動為中心的現場網絡，用一根電纜線可以將主站、運動子站、外圍子站設備連接起來，并且電纜線采用雙絞屏蔽線進行連接，可降低成本，提高抗干擾能力。

1.2 M-Ⅲ協議結構

與傳統的Internet等類型的信息網絡不同，MECHATROLINK-Ⅲ現場總線本質上是一種現場控制網絡，它直接針對零件加工過程，因此控制網絡要求很高的實時性、數據完整性、簡便性、可靠性。為滿足以上特性，如表1所示，M-Ⅲ總線對標準的網絡協議進行了優化，將基本協議放置在OSI模型中的第1、2、7層，即物理層、數據鏈路層、應用層。

表1 MECHATROLINK-Ⅲ協議層

1.3 M-Ⅲ指令的數據格式

MECHATROLINK-Ⅲ協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固定為03H，從站響應側固定為01H，而第1至16 byte為主命令區，17至29 byte用作子命令區，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為通用運動指令組、30H～3FH為標準伺服指令組、40H～4FH為變頻指令組、50H～5FH為標準I/O指令組。此外，客戶可以利用80H～AFH來擴展自己需要的伺服、變頻及I/O指令。一組標準伺服命令中可包括位置控制指令、速度控制指令、轉矩控制指令等，通過切換以上各指令，可使伺服電動機由位置控制切換為速度控制或轉矩控制。

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

1.4 M-Ⅲ自動重試機制

M-Ⅲ自動重試機制通過ASIC自動查出通訊錯誤，并再次發送的機能。即在每個循環通訊周期內，當某個從站發生通訊異常時，在單次傳輸周期內數據指令會被執行重試功能，M-Ⅲ專用的ASIC會再次重復對異常的從站發送數據，保證主站與從站間發送/接收的數據指令準確、穩定。通過修改控制程序可方便地選擇重試的次數，一個通信周期內最大重試次數為7次。

2 M-Ⅲ伺服驅動器設計

多軸聯動數控機床系統平臺主要由3個部分組成：FPGA伺服板，DSP數字控制板和M-Ⅲ現場總線通信板。其中DSP控制板是整個控制系統的運算平臺；通信板采用自行設計的MECHATROLINK-Ⅲ接口開發板，它與數控系統通過M-Ⅲ總線接口進行通信。FPGA伺服板用于DSP板卡和通信板之間的總線信息傳遞，同時為各系統各部分提供電源。M-Ⅲ伺服驅動器設計方案如圖1所示。在FPGA板上布置了2個24 V獨立電源，分別對總線拓撲的I/O擴展接口以及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基礎板上，可靠性遠勝于基于PCI總線的接插。另外此接口方案充分發揮嵌入式系統模塊化、可擴展和柔性的特點。若產品升級或設備維修，只需將相應模塊替換即可。

表2 MECHATROLINK-Ⅲ指令數據格式

圖1 M-Ⅲ與DSP接口方案

對于多軸聯動數控機床系統，首先需要設定總線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引腳進行配置設定主站數據總線的寬度，若BWDT設為高電平，主站為16位數據總線；當BWDT設為低電平，主站為8位數據總線。考慮到多軸聯動系統需要實時傳輸的數據量大、數據精度要求高，并且DSP選用的是高性能浮點運算，所以建議數據總線的寬度選擇16位，從而減輕系統數據傳輸的負擔。

M-ⅢASIC的發送與接收控制回路的設計是主從站采用同樣的物理層(高輸出RS-485收發器)作為驅動/接收器件。當TX_EN引腳低電平有效時，ASIC向從站發送指令數據，當RX_DV引腳低電平有效時，ASIC接收從站的響應數據。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總線通訊出現異常發送錯誤指令造成機床出現“撞車”等嚴重后果。需要開啟M-Ⅲ通信錯誤處理機制。當出現錯誤ASIC將會把錯誤信息傳遞到ERRlL引腳，再通過事先在機床面板上安裝的LED燈來監控運行狀況。若通信異常時LED燈亮；通信正常時LED燈熄滅。同時系統會立即切斷MECHATROLINK-Ⅲ通訊通道，禁止主站向從站發送任何數據。在電路設計上，將TXENH信號連接至驅動/接收器的發送使能控制信號，通訊異常時TXENH將輸出高電平，禁止驅動/接收器向從站發送數據，起到保護作用。

3 結語

通過對MECHATROLINK-Ⅲ現場總線技術的研究，本文設計開發了一個符合M-Ⅲ通信協議的多軸聯動數控機床驅動器。在該驅動器實際使用過程中，一定程度上解決了多軸系統中運動控制與伺服系統的信息傳輸的瓶頸，最終確保數據傳輸的實時性和可靠性，實現多軸同步協調控制。

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