0 引言

　　為了實(shí)現(xiàn)更高速、更柔性的生產(chǎn)目的，傳統(tǒng)上由機(jī)械部件完成的功能越來(lái)越多的由伺服系統(tǒng)完成。同時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的廣泛應(yīng)用，為分布式控制系統(tǒng)提供了良好的高實(shí)時(shí)性、高可靠性解決方案。目前，在一些大型包裝、印刷、紡織、機(jī)器人和CNC等領(lǐng)域，該方案能夠較好地解決系統(tǒng)模塊化的布局，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。采用Powerlink開(kāi)源技術(shù)作系統(tǒng)總線，能夠較好地利用Powerlink開(kāi)源的優(yōu)勢(shì)，提供較高的實(shí)時(shí)性和安全性，同時(shí)具有較低的成本。

1 分布式伺服控制

　　分布式伺服控制實(shí)質(zhì)上是分布式驅(qū)動(dòng)，集中式控制。系統(tǒng)由1個(gè)主控制器和，z個(gè)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)普通以太網(wǎng)介質(zhì)組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。主控制器實(shí)現(xiàn)多軸控制的軌跡算法和主站通訊協(xié)議。軌跡控制算法實(shí)現(xiàn)了各軸的插補(bǔ)運(yùn)算，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將指令發(fā)送到驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)指令和編碼器反饋信息，實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。此外，總線上可以擴(kuò)展I／O設(shè)備，采集傳感器信息，擴(kuò)展其他應(yīng)用。

　　分布式伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，很大程度上取決于選擇的運(yùn)動(dòng)控制總線?？偩€的速度、協(xié)議的效率直接影響了伺服軸的數(shù)據(jù)更新時(shí)間，進(jìn)而影響伺服軸的控制精度；總線的安全可靠性和自診斷、自恢復(fù)能力決定了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；總線的應(yīng)用是否廣泛、調(diào)試是否方便，影響了總線的市場(chǎng)通用性，開(kāi)發(fā)成本的高低。

　　開(kāi)源技術(shù)Ethernet Powerlink具有良好的性能。首先，Powerlink的通信周期短，能夠在幾百微妙內(nèi)刷新全部節(jié)點(diǎn)的控制信息。其次，Powerlink通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟ǚ椒▉?lái)確保安全性，摒棄了以前需要的雙絞線裝置，降低了配線需求。歸功于嚴(yán)格確定的時(shí)序，非常短的循環(huán)周期，很低的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，開(kāi)放的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，為Powerlink安全性提供了理想的基礎(chǔ)。此外，Powelrink與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)兼容，具有高實(shí)時(shí)性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、熱插拔和開(kāi)源等特點(diǎn)，這些都為Powerlink的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。因此，選用Powerlink技術(shù)作為伺服控制總線，是性能良好且成本實(shí)惠的選擇。

2 Powerlink在伺服驅(qū)動(dòng)器上的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 硬件框架

　　主控制器和驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的硬件電路基本相同，都采用Freeseale CortexM4 ARM做主處理器，通過(guò)FlexBus總線與FPGA通信。FPGA外接DDR2存儲(chǔ)器件和2個(gè)以太網(wǎng)控制芯片DP83630，主要實(shí)現(xiàn)Powerlink協(xié)議。驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)還有一個(gè)編碼器模塊輸入和電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出。

　　2.2 初始化過(guò)程

　　首先是主站上電啟動(dòng)，初始化并等待從站節(jié)點(diǎn)的接人。然后驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)上電，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行自檢和初始化。此時(shí)強(qiáng)電還沒(méi)有接通，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)答主控制器的IdentRequest請(qǐng)求，完成Powerlink的初始化，并告知應(yīng)用層當(dāng)前初始化狀態(tài)。應(yīng)用層判斷Powerlink初始化正常，接通強(qiáng)電，否則發(fā)出錯(cuò)誤信息到數(shù)碼管顯示。

　　2.3 正常通信過(guò)程

　　初始化成功后，主從站根據(jù)對(duì)象字典配置信息進(jìn)行通訊。主控制器依次給各驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令伺服使能，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)反饋伺服就緒，開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)。每個(gè)通信周期，主控制器給個(gè)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送插補(bǔ)指令，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)反饋實(shí)際轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)信息。

　　2.4 Powerlink移植

　　無(wú)論是否采用操作系統(tǒng)，Powerlink一般包括這樣4個(gè)任務(wù)處理：事件隊(duì)列、以太網(wǎng)收發(fā)事件、時(shí)鐘事件和外部按鍵輸入處理。由于沒(méi)有使用操作系統(tǒng)，所以將事件隊(duì)列和ms級(jí)時(shí)鐘事件放在主函數(shù)中查詢處理，以太網(wǎng)事件、高精度時(shí)鐘事件和按鍵輸入處理使用中斷的方式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)接口函數(shù)與協(xié)議棧進(jìn)行通信。Powerlink主站的移植，針對(duì)XilinxSpartan6系列FPGA，修改了Ethernet Edrv。Timer，Buffer，以及Cfm模塊。

　　Ethernet驅(qū)動(dòng)使用了Powerlink IP核，IP核里調(diào)用openMAC來(lái)管理數(shù)據(jù)收發(fā)。Timer包括1個(gè)ms級(jí)時(shí)鐘和2個(gè)ns級(jí)時(shí)鐘。ms級(jí)時(shí)鐘由軟核定時(shí)器提供，ns級(jí)時(shí)鐘TimerCycle由FPGA內(nèi)部50 MHz時(shí)鐘產(chǎn)生(每個(gè)滴答20 ns)，去掉了另外一個(gè)時(shí)鐘TimerSlot，數(shù)據(jù)的發(fā)送改由定時(shí)發(fā)送幀的函數(shù)omethTransmitTime代替。Cfm配置模塊中，cdc將文件轉(zhuǎn)換成數(shù)組添加到工程里面，然后將對(duì)文件mnobd．cdc的處理轉(zhuǎn)換成對(duì)Buffer的處理，這樣就省去了FPGA對(duì)文件系統(tǒng)的支持。

　　Powerlink從站的移植，針對(duì)Cyclone IV做了相應(yīng)修改，大體與主站修改過(guò)程類似。

　　2.5 測(cè)試結(jié)果

　　在100 Mbit／s的網(wǎng)絡(luò)帶寬下，通過(guò)Powerlink總線，400"s內(nèi)實(shí)現(xiàn)了5個(gè)從站伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)刷新，編碼器反饋速度與命令速度之間有1～2個(gè)通信周期的滯后，基本上實(shí)現(xiàn)了各個(gè)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的同步控制。具體數(shù)據(jù)量與通信周期的關(guān)系如表3所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　分布式伺服控制簡(jiǎn)化了機(jī)械設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的靈活性，在當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制高速化、多軸化和復(fù)雜化的需求下，能夠較好地滿足市場(chǎng)需求。基于Powerlink通信技術(shù)的分布式伺服驅(qū)動(dòng)器，結(jié)合了目前普遍采用的Powerlink總線技術(shù)，能夠較好地滿足較高的實(shí)時(shí)性和可靠性。