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[導讀]引言隨著當前工業(yè)生產規(guī)模向著大型化方向發(fā)展,生產設備也向著系統(tǒng)化、規(guī)?;姆较虬l(fā)展,在這種情況下,基于工業(yè)以太網的運動控制系統(tǒng)在一些數(shù)控系統(tǒng)中得到了很廣泛的應用

引言

隨著當前工業(yè)生產規(guī)模向著大型化方向發(fā)展,生產設備也向著系統(tǒng)化、規(guī)?;姆较虬l(fā)展,在這種情況下,基于工業(yè)以太網的運動控制系統(tǒng)在一些數(shù)控系統(tǒng)中得到了很廣泛的應用,工業(yè)以太網通信具有傳輸速度快,通信數(shù)據(jù)量大等種種優(yōu)點,對推動機電一體化設備的快速發(fā)展起到了很大的作用。隨著網絡通信技術的不斷發(fā)展,目前,在一定程度上,網絡伺服系統(tǒng)成為當前伺服系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。在此情況下,德國BECKHOFF公司推出了Ether CAT現(xiàn)場總線技術,它具有配置簡單,數(shù)據(jù)傳輸高速、高效等種種優(yōu)點。而且,在網絡結構上,幾乎支持所有的拓撲類型,包括線型、樹型、星型等,每個系統(tǒng)可以配置多達65535臺設備,這種總線類型對于大規(guī)模的運動控制系統(tǒng)的設計具有很好的優(yōu)勢。特別是對于伺服系統(tǒng)的控制,更具有不可替代的優(yōu)點。

Ether CAT總線式系統(tǒng)一般采用主從式結構,主站采用PC機,配置標準的以太網卡,從站采用專用芯片從主站中讀取數(shù)據(jù),并進行相應的分析??梢哉f,整個以太網現(xiàn)場總線的協(xié)議處理過程都是在硬件中完成的。所以,在Ether CAT控制系統(tǒng)中,從站的硬件及軟件的設計是非常重要的。因此,本文對于基于Ether CAT總線中的從站伺服控制系統(tǒng)DSP設計,進行了一定的研究,利用DSP實現(xiàn)了基于Ether CAT的伺服控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體架構

根據(jù)Ether CAT總線式系統(tǒng)的結構原理,在本系統(tǒng)中,主站采用具有DMA功能的網卡作為Ether CAT總線接口,而從站DSP系統(tǒng)選用瑞泰公司的刑S320F28335 DSP開發(fā)板,配合倍福公司的ET1100從站控制器,作為從站的Ether CA=r接口。連接方式利用SPI連接方式。系統(tǒng)的總體架構如圖1所示。

對于該DSP系統(tǒng),要解決的關鍵問題主要包含兩個方面,一是DSP系統(tǒng)與ET1100控制器之間的連接,該連接利用SPI接口實現(xiàn),另一個方面是DSP的 PEM脈沖控制接口與伺服電機驅動器之間的連接,并且,為保證控制的精度,要對電機編碼器的反饋信號的連接進行相應的設計。

 

圖1 基于Ether CAT的DSP系統(tǒng)總體架構圖

2 基于Ether CAT的DSP通信實現(xiàn)

DSP系統(tǒng)與ET1100系統(tǒng)進行連接,用于實現(xiàn)DSP與Ether CAT總線之間的通信。SPI通信的特點是使用主從通信模式,使用該通信方式連接的兩個控制器在通訊前,必須配置好主控制器和從控制器,在本系統(tǒng)中,從設備實際需要考慮,ET1100作為從設備,而利用DSP芯片作為該接口的主設備。

 

圖2 ET1100與DSP間SPI主從連接示意圖

該SPI連接方式中,主控制器DSP芯片通過SPICLK信號為整個從站系統(tǒng)提供串行時鐘,該時鐘決定整個網絡的數(shù)據(jù)發(fā)送和接受的傳輸速率,發(fā)送時,將數(shù)據(jù)從高位到低位依次發(fā)送出來,并且,SPISTE引腳是SPI設備的使能引腳,當主設備DSP要發(fā)送數(shù)據(jù)到ET1100時,要將該信號置低,從而使從設備 ET1100使能,然后將數(shù)據(jù)從高位到低位依次發(fā)送出來,發(fā)送完成后,要將該引腳重新置高。而從設備ET1100則處于從工作模式,當它接收到主控制器發(fā)出的SPICLK信號的邊緣時,如果要發(fā)送數(shù)據(jù),則將數(shù)據(jù)寫入移位寄存器,按照接收到的SPICLK時鐘頻率移位發(fā)送出去,如果要接受數(shù)據(jù),則等待 SPICLK信號,并按照相同的時鐘將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,當使能信號SPISTE信號為高時,則禁止ET1100的移位串行寄存器,將串行通信口的引腳置于高阻狀態(tài),從而使該設備處于非使能狀態(tài)。

在本系統(tǒng)中的Ether CAT數(shù)據(jù)總線上進行數(shù)據(jù)的傳輸時,定義了自己的數(shù)據(jù)結構,該數(shù)據(jù)結構主要包含主站控制量和從站狀態(tài)的反饋,用于在主站和從站之間進行數(shù)據(jù)的傳輸。如表1所示:

 

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構

系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)結構中,首先是固定的報文頭部分,然后是每個Ether CAT從站上的DSP運動控制指令數(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)模塊的結構如表2所示:

 

表2 數(shù)據(jù)模塊結構

在以上數(shù)據(jù)模塊結構中,每個數(shù)據(jù)模塊頭占用兩個字節(jié)的空間,數(shù)據(jù)模塊頭中的內容包括運動控制卡的地址(4個位),工作方式(3位),握手位(1位)三個方面的信息。

3 基于DSP的伺服控制

利用DSP進行從站的伺服控制,主要從以下幾個方面進行:

3.1硬件電路的設計

1)編碼器反饋信號的處理。編碼器作為反饋信號用來反饋電機的運動狀態(tài),一般來說,編碼器是直接輸入到伺服驅動器的編碼器輸入端子中的,而伺服驅動器提供三對差分信號反饋到控制端。這三對差分信號因為干擾問題,出現(xiàn)了很多的毛刺,直接輸入時,可能對DSP系統(tǒng)造成很多的干擾,因此,在此利用三個差分電路將這三對差分信號轉化成單路的信號的形式。從而使DSP系統(tǒng)得到電機的運轉狀態(tài)。其中A與B是兩路的正交編碼脈沖,而Z信號作為電機回零位時的精確定位,用一個低電平脈沖實現(xiàn)。

2)數(shù)字量輸入輸出接口。從系統(tǒng)的可擴展性等各個方面考慮,該系統(tǒng)在DSP系統(tǒng)上設計八路的數(shù)字量輸入輸出。對數(shù)字量輸入輸出進行光電隔離處理,并進行了數(shù)字濾波處理。該信號主要用于零點信號輸入、限位信號輸入、軸方向和脈沖信號的輸出或者其他用戶定義的控制端子,在很大程度上提高了系統(tǒng)的擴展性。

3)控制信號的輸出。控制信號主要用來對驅動器進行控制,從而控制控制電機的轉向和轉速。電機的控制信號可以利用“脈沖+脈沖”方式,也可以利用“脈沖+ 方向”的方式,其中脈沖頻率用來控制電機的轉速,而方向則利用一個IO口實現(xiàn),輸出為高電平時,控制電機正轉,當輸出為低電平時,控制電機反轉。而且,對該信號經過光電隔離和施密特觸發(fā)器整形后輸出。

3.2 DSP軟件部分設計

DSP程序主要是由一個定時器構成的,DSP主程序啟動,首先完成一些初始化工作,對系統(tǒng)的主要參數(shù)進行一定的配置,然后,進入等待狀態(tài),等待Ether CAT總線上的指令。當接收到控制指令時,進入中斷控制程序,在中斷程序中完成運動控制功能,并將電機的狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋到Ether CAT總線中,系統(tǒng)的主程序和中斷程序如圖3所示。

 

圖3 DSP系統(tǒng)主程序和中斷程序流程圖[!--empirenews.page--]

4 結束語

本文設計了基于Ether CAT的DSP伺服控制系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的總體架構,對于DSP系統(tǒng)的設計,從Ether CAT通信控制和伺服運動控制兩個方面介紹了系統(tǒng)的組成。通過初步的測試實驗,系統(tǒng)的總體性能參數(shù)基本上能夠滿足設計要求,較好的完成了相應的運動控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋5?,對于該系統(tǒng)一些細節(jié)上的問題,還需要進行更詳細的設計,對于一些具體的參數(shù),還需要更具體的設計和整定。

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