舒志兵 （南京工業(yè)大學(xué)運動控制研究所 210009） 摘 要： 伺服系統(tǒng)是機電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，隨著計算機技術(shù)的進展，交流伺服系統(tǒng)在經(jīng)過廣泛運用的前景下正向著網(wǎng)絡(luò)化控制方向發(fā)展。筆者在研究基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹了嵌入式運動控制器體系結(jié)構(gòu)，總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)化伺服運動控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案，最后介紹了嵌入式運動控制器、控制語言和編譯系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：嵌入式控制器 交流伺服 工業(yè)以太網(wǎng) 運動控制 目前常用的運動控制器體系結(jié)構(gòu)存在很多缺陷，如體積過大、結(jié)構(gòu)封閉、不支持網(wǎng)絡(luò)通信等，從而導(dǎo)致運動控制器之間相互孤立，系統(tǒng)升級過程中大量資源浪費。ISP在線可編程技術(shù)、Internet技術(shù)以及嵌入式實時操作系統(tǒng)等信息技術(shù)的發(fā)展，使模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、嵌入式、可重構(gòu)的開放式智能運動控制器成為當(dāng)前運動控制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向 , Siemens 公司Horst Kohlbert的預(yù)言“嵌入式以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備，以及嵌入的Internet服務(wù)器”不久都將成為現(xiàn)實。 德國Jetter AG、英國的Trio、以色列的ELMO等公司相繼發(fā)布了嵌入式智能運動控制器，宣布了“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”時代的到來。 網(wǎng)絡(luò)伺服的特點是：（1）類似Internet的結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)；（2）對用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用；（3）可連接到Internet，實現(xiàn)整個工廠全球化聯(lián)網(wǎng)；（4）以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)場總線。 一、嵌入式運動控制器體系結(jié)構(gòu) 在國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化（Factory Automation簡稱FA）工程技術(shù)在最近十年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232Ｃ或RS-422接口等）和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力。在運動控制器中，最關(guān)鍵的部分是控制信號生成模塊，而這個部分是需要經(jīng)常改進和升級的，采用硬件可重構(gòu)技術(shù)，把需要升級的模塊從系統(tǒng)中分離出來然后對它進行在線重構(gòu)，即可完成升級操作。在基于PC機和運動控制器的體系結(jié)構(gòu)中，通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)通信，解決了網(wǎng)絡(luò)通信問題 。 圖1中可以看出將運動控制器劃分為網(wǎng)絡(luò)通信模塊和運動控制模塊兩個主要部分。其中，網(wǎng)絡(luò)通信模塊直接與Internet連接，并按照預(yù)先確定的通信協(xié)議從控制臺那里取得控制命令，然后將命令交給運動控制模塊。運動控制模塊則直接和電動機驅(qū)動器相連，它在對命令進行分析和判斷之后，產(chǎn)生相應(yīng)的電動機控制信號傳送給電動機。另外，命令執(zhí)行的結(jié)果也會返回給網(wǎng)絡(luò)通信模塊，由它再通過網(wǎng)絡(luò)返回給控制臺。 二、網(wǎng)絡(luò)化伺服控制的系統(tǒng)集成 1、基于獨立性數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成 獨立性的數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)就是在運動控制時，脫離計算機或工控機的通訊操作控制，直接把控制程序和要運行的程序下載到運動控制器本身所帶的FLASHROM 里面。有設(shè)備的外圍觸發(fā)信號觸發(fā)程序就開始運行，以下是基于TRIO的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)框圖： 圖2中上位計算機通過接插支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊適配卡（100M）獲得對以太網(wǎng)總線的支持，負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)的運行和工作狀態(tài)進行監(jiān)視管理。上位計算完成任務(wù)規(guī)劃后，由第三方軟件完成用戶應(yīng)用程序開發(fā)，根據(jù)TCP/IP協(xié)議通過以太網(wǎng)將生成的程序指令傳送給嵌入式多軸運動控制器。 在圖3的網(wǎng)絡(luò)伺服運動控制系統(tǒng)中，控制器不斷轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生更新的位置命令（運動曲線），通過現(xiàn)場總線下傳給驅(qū)動器，總線節(jié)點解釋指令以后轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號，控制交流伺服電機，這樣完成命令所需定位。在一個多軸系統(tǒng)中，一個控制器可以控制多個電機驅(qū)動器。伺服電機是主要的執(zhí)行部件，完成具體動作。圖3中運動控制器可以采用英國 Trio 公司的MC206,MC224，Euro205等獨立型的運動控制器，這些控制器采用工業(yè)專用的32bit，120MHz-150MHz 的最新微處理技術(shù)，融合最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可選用不同的控制器可控制1-24個軸?？梢杂?～+/-10v 的模擬量電壓輸出和編碼器反饋形成全閉環(huán)控制，來控制伺服電機。也可以控制步進電機，變頻器，氣動，液壓伺服，或者是這幾種的任意結(jié)合。Trio帶有可編程控制的 I/O, 也可根據(jù)設(shè)備需要進行擴展（最多512個I/O）。 2、基于觸摸屏 + 獨立型數(shù)字控制器的開放控制系統(tǒng) 在一些流水線生產(chǎn)設(shè)備或批量產(chǎn)品的加工設(shè)備上，需要修改某些加工的工藝數(shù)據(jù)或者需要監(jiān)視設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，例如：登場裁切設(shè)備，對于裁切的長度就需要歲工藝的不同和產(chǎn)品的不同需要修改，因為觸摸屏操作方便，價格便宜（比工控機便宜的多），所以采用觸摸屏來修改數(shù)據(jù)或顯示所與需要監(jiān)視的數(shù)據(jù)，如加工速度，產(chǎn)量等。 Trio、ELMO等獨立型數(shù)字運動控制型的通訊口都具有Modbus、Ethernet協(xié)議，可以直接接各種各樣的觸摸屏進行數(shù)據(jù)交換，如：HITECH，Schneider，EasyView 等。其控制原理框圖與基于獨立型數(shù)字運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)集成一樣，只是在數(shù)字運動控制的通訊口上接了一個觸摸屏。如圖3所示的基于觸摸屏的分布式智能控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由工業(yè)觸摸屏、多軸運動控制器、交流伺服驅(qū)動器和交流伺服電機，本文采用的是泉毅公司的PWS6600系列，其特征是多軸運動控制器通過Modbus或Ethernet與工業(yè)觸摸屏相連，交流伺服驅(qū)動器之間以及交流伺服驅(qū)動器與多軸運動控制器之間通過現(xiàn)場總線相連，交流伺服驅(qū)動器的輸出與交流伺服電機相連。 PWS6600 （以下簡稱PWS）的面板采用高解析度STN的液晶顯示模組，並符合IP65/NEMA 4的防水防塵設(shè)計等級，能儲存255幅畫面，每一畫面可由文字、圖形以及指定的系統(tǒng)內(nèi)部資料組成，設(shè)計者只需要編輯出各種畫面，用以顯示設(shè)備狀態(tài)、操作指示、參數(shù)設(shè)定、動作流程、統(tǒng)計資料、警報信號、簡易報表等。 3、基于PC機 + 數(shù)字運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)集成 有的設(shè)備由于所控制的工程和加工的零件負(fù)載，前面的兩種系統(tǒng)集成方式都無法滿足設(shè)備和加工工藝的要求，需要采用計算機與數(shù)字運動控制器結(jié)合，通過數(shù)組運動控制器的專用控制或者動態(tài)連接庫，利用 vb,vc 等高級語言進行二次開發(fā)出專用或者通用的控制系統(tǒng)來控制設(shè)備的運動過程。 Trio 公司的 PCI208 產(chǎn)品是一款基于 PC 機的 PCI 總線的數(shù)字運動控制卡，該控制卡采用工業(yè)專用的32bit浮點50MHz的DSP最新微處理技術(shù)，提高了運算速度和處理能力，融合了最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可以控制 2～8 個軸，可以控制伺服電機，步進電機，變頻器，氣動 / 液壓伺服缸或者這幾種的任意結(jié)合，另外，還帶有 20 個輸入點和 10 個輸出點 也帶 2 個 CAN 總線擴展口，可以通過 CAN 總線擴展 I/O 和 16bit 的模擬輸入電壓模塊． 三、運動控制器專用控制語言及編譯系統(tǒng) 運動控制語言是人的控制意圖和控制器交流的主要方式。運動控制語言編寫的程序，必須通過編譯或解釋來使運動控制器執(zhí)行。所以運動控制語言及其編譯器或解釋器直接影響到運動控制器使用的難易，運動控制器功能的強弱，以及運動控制器響應(yīng)的速度。 高級語言形式的運動控制語言在國內(nèi)還很少有人研究，國外的運動控制語言一般采用高級語言的形式，然后添加適合運動控制的指令進行擴展。本文主要介紹ELMO類VC語言ELMO Studio和TRIO類VB語言trioBASIC。 ELMO Studio和trioBASIC等運動控制語言采用高級語言，指令簡潔易懂易記，編程簡單，具有基本的PLC和運動控制功能。PLC和運動控制功能的實現(xiàn)采用統(tǒng)一的一種編程語言，簡化了程序的編寫。ELMO Studio和trioBASIC等語言由上位機編譯器對源程序進行詞法、語法、語義進行分析，上位機編譯器最終生成中間代碼，然后下載到嵌入式運動控制器（下位機）中由解釋器解釋，下位機解釋器使用一個循環(huán)結(jié)構(gòu)讀取并解釋下載到運動控制器用戶程序區(qū)的運動控制程序，進而實現(xiàn)運動控制和PLC控制。 ELMO類VC語言ELMO Studio和TRIO類VB語言trioBASIC語言是分別基于VC和VB語言的子集，并針對運動控制和PLC邏輯控制擴展了相應(yīng)控制指令。他們都支持整型、和浮點型及布爾型等多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，程序整體結(jié)構(gòu)采用函數(shù)組成，由主函數(shù)開始執(zhí)行。程序的控制結(jié)構(gòu)有循環(huán)結(jié)構(gòu)for語句，while語句、選擇分支結(jié)構(gòu)if語句、無條件跳轉(zhuǎn)等語句，程序支持的運算有算術(shù)運算、邏輯運算、關(guān)系運算。 四、嵌入式伺服運動控制系統(tǒng)和SOPC技術(shù) 目前嵌入式系統(tǒng)大多采用了含有ARM或單片機處理器核的器件，盡管由這些器件構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)有很強的功能，但為了使系統(tǒng)更為靈活完備，功能更為強大，對更多任務(wù)的完成具有更好的適應(yīng)性，通常必須為此處理器配置許多接口器件才能構(gòu)成一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)。如除配置常規(guī)的SRAM、DRAM、Flash外，還必須配置網(wǎng)絡(luò)通信接口、串行通信接口、USB接口、VGA接口、PS/2接口或其他專用接口等。這樣會增加整個系統(tǒng)的體積、功耗，而降低系統(tǒng)的可靠性。可編程片上技術(shù)（SOPC）技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了上述問題。 SOPC技術(shù)是美國Altrea公司于2000年最早提出的，SOPC是基于FPGA解決方案的SOC，與ASIC的SOC解決方案相比，SOPC系統(tǒng)及其開發(fā)技術(shù)具有更多的特色，構(gòu)成SOPC的方案也有如下多種途徑。 五、基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng) 目前最有代表性的軟核處理器分別是Altera的Nios、Nios II核，及Xilinx的MicroBlaze核。特別是Nios系統(tǒng)，用戶可隨意配置和構(gòu)建的32位/16位指令集和數(shù)據(jù)通道的嵌入式微處理器IP核，采用Avalon總線結(jié)構(gòu)通信接口，帶有增強的內(nèi)存、調(diào)試和軟件功能；含由First Silicon Solutions（FS2）開發(fā)的基于JTAG的片內(nèi)設(shè)備（OCI）內(nèi)核。此外，基于Quartus II平臺的用戶可編輯的Nios核含有許多可配置的接口模塊核，包括：可配置高速緩存模塊，RS232通信口、SDRAM控制器、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議接口、DMA、定時器、協(xié)處理器等。在植入FPGA前，用戶可根據(jù)設(shè)計要求，利用Quartus II和SOPC Builder，對Nios及其外圍系統(tǒng)進行構(gòu)建，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點、資源占用等方面全面滿足用戶系統(tǒng)設(shè)計的要求。 特別值得一提的是，通過Matlab和DSP Builder，或直接使用VHDL等硬件描述語言設(shè)計，用戶可以為Nios嵌入式處理器設(shè)計各類加速器，并以指令的形式加入Nios的指令系統(tǒng)，從而成為Nios系統(tǒng)的一個接口設(shè)備，與整個片內(nèi)嵌入式系統(tǒng)融為一體。例如，用戶可以根據(jù)設(shè)計項目的具體要求，隨心所欲地構(gòu)建自己的DSP處理器系統(tǒng)，而不必拘泥于其他DSP公司已上市的有限款式的DSP處理器。 六、基于HardCopy技術(shù)的SOPC系統(tǒng) HardCopy技術(shù)是一種全新的SOC級ASIC設(shè)計解決方案，首先利用Quartus II將系統(tǒng)模型成功實現(xiàn)于HardCopy FPGA上，然后幫助設(shè)計者把可編程解決方案無縫地遷移到低成本的ASIC上的實現(xiàn)方案。這樣，HardCopy器件就把大容量FPGA的靈活性和ASIC的市場優(yōu)勢結(jié)合起來，避開了直接設(shè)計ASIC的困難，而從原型設(shè)計提升至產(chǎn)品制造，通過FPGA的設(shè)計十分容易地移植到HardCopy器件上，達(dá)到降低成本，加快面市周期的目的。HardCopy ASIC是直接在Altera PLD體系之上構(gòu)建的，采用有效利用面積“邏輯單元?！眱?nèi)核。本質(zhì)上，HardCopy器件是FPGA的精確復(fù)制，剔除了可編程性，專用配置和采用金屬互連使用的走線。這樣，器件的硅片面積就更小，成本就更低，而且還改善了時序特性。 七、結(jié)論 可編程片上技術(shù)（SOPC）技術(shù)的出現(xiàn)，使得運動控制器做到單個集成電路芯片大小，可以被嵌入到它所控制的電動機控制系統(tǒng)中，從而帶來了模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、嵌入式、可重構(gòu)的開放式智能運動控制器。同時采用SOPC技術(shù)使運動控制編程更加簡易，簡化了維修和調(diào)試的復(fù)雜性，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，可靠。21世紀(jì)是一個嶄新的世紀(jì)，也定將是各項科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的世紀(jì)。相信隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，同時伴隨著制造業(yè)的不斷升級和“柔性制造技術(shù)”的快速發(fā)展，必將為“柔性加工和制造技術(shù)”的核心技術(shù)之一的“伺服驅(qū)動技術(shù)”迎來又一大好的發(fā)展時機。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集