MECHATRONLINK-Ⅲ通訊型多軸運動控制系統(tǒng)設計

沈陽康特機電設備有限公司 呂翠玉

沈陽機床股份有限公司數(shù)控刀架分公司 於成業(yè)

為達到高精度的自動化生產需求，提出了一種以DSP28335為控制核心，以MECHATRONLINK-Ⅲ總線為通訊網絡的運動控制系統(tǒng)設計。文章給出了該系統(tǒng)的硬件結構和軟件流程，通過實際的應用結果表明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、可靠控制，在一定程度上提高了設備的加工精度。

為實現(xiàn)設備生產的穩(wěn)定和精準，數(shù)字量通訊在逐漸替代模擬信號的傳遞，各種總線技術的開發(fā)和完善使得數(shù)字量通訊得到了更為廣泛的應用。MECHATRONLINK-Ⅲ總線就是高速的、可用于運動控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線之一。該總線在各控制領域得到廣泛的應用。文章提出了基于MECHATRONLINK-Ⅲ總線的DSP運動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對多個伺服或變頻軸精準控制。

1 MECHATRONLINK-Ⅲ總線介紹

MECHATRONLINK-Ⅲ的目標領域是以運動為中心的現(xiàn)場網絡，可以通過網絡電纜把主站、伺服從站、變頻從站和I/O從站等連接起來，實現(xiàn)信息交互，達到精準控制的目的。MECHATRONLINK-Ⅲ的通訊速度可達到100Mbps的高速傳輸，通訊周期可根據(jù)連接的從站數(shù)量設定，文中設計的運動控制系統(tǒng)的通訊周期設定為2ms，可連接的從站數(shù)量為15個伺服軸，4個變頻軸和一個I/O從站。

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

2 運動控制系統(tǒng)硬件設計

MECHATRONLINK-Ⅲ總線的運動控制系統(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模塊提供電源。系統(tǒng)硬件結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

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經過CPLD對JL101進行片選、復位和中斷讀取等控制，選用DSP的XINTF（外部接口）存儲區(qū)域中的區(qū)域6和區(qū)域7作為Mechatrolink Ⅲ的存儲區(qū)。

圖2 Mechatrolink Ⅲ通訊電路圖

文中設計的運動控制系統(tǒng)通過Mechatrolink Ⅲ總線對伺服軸、變頻軸和I/O從站進行信息交互和控制，滿足設備的動作需求。且運動控制裝置通過RS485與HMI人機界面通訊，以便于控制和實時數(shù)據(jù)的觀測。

3 運動控制系統(tǒng)軟件流程

根據(jù)實際搭建的硬件電路，分別對DSP和CPLD進行程序編寫，具體的程序模塊主要包括I2C掉電存儲模塊、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總線的運動控制模塊等；通過總線控制的軟件部分是基于Mechatrolink協(xié)會提供的主站驅動程序，完成對從站和JLl01的初始化，并根據(jù)伺服從站、變頻從站和I/O從站類型的不同對字節(jié)數(shù)進行區(qū)分定義，伺服從站為48byte，變頻從站為32byte，I/O從站為16byte。運動控制系統(tǒng)作為主站，負責給各從站發(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行相應運動控制。

文中設計的控制系統(tǒng)采用循環(huán)通信模式，設定的循環(huán)通信周期為2ms，伺服軸的移動和定位采用POSING模式，實現(xiàn)精準定位，點動和切割采用VELVCTRL模式，實現(xiàn)快速響應。變頻軸主要用于簡單的定向移動，并與接近開關配合進行邏輯控制。程序可根據(jù)設備動作的不同需求來對各軸進行相應命令的調用。具體對從站的控制邏輯如圖3所示。

圖3 命令運行控制邏輯圖

4 實際應用測試

文中設計的運動控制系統(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，目前已實際應用于線下焊管切割系統(tǒng)，實現(xiàn)了高速、穩(wěn)定切割，切割精準度在±1mm左右。

根據(jù)現(xiàn)場的實際應用反饋，本文設計的基于MECHATRONLINK-Ⅲ總線的運動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠、高效精準控制，各類從站連接方便，多軸控制簡單優(yōu)化。若CPU的內存足夠大，可以考慮連接更多從站，實現(xiàn)更多軸的控制。且可以了解MECHATRONLINK-4總線通訊，進行更多從站的擴展。