1、基于 SERCOS 技术实现高速高精度运动控制设计与研究 D 晰 andR 洲 h基于 SERCOS 技术实现高速高精度运动控制HighSpeedandPrecisionMotionControlBasedonSERCOS康存锋陈卫福黄旭东(北京工业大学机电学院)摘要:在介绍 SERCOS 技术优势的基础上.阐述了利用 SoftSERCANS 通信卡开发出数控系统的底层应用软件.实现了实时数据交换.并分析了利用 SERCOS 技术实现商速,商精度运动控制的硬件和软件结构.关键词:SERCOSflSERCANS 运动控制实时由于市场竞争激烈,在机械,印刷,纺织,包装等行业对采用数字控制提高自动化
2、水平提出了广泛需求,对数控系统的控制精度和速度要求也比以前提高了一个数量级,并且要求数控系统开放性更好,SERCOS(SerialRea1.timeCommunicationStandard)技术的出现为加速数控技术的发展提供了强大动力.lsERC0S 总线SERCOS 总线是一种用于高速,高精度运动控制的现场总线接口和数据交换协议,是目前用于数字伺服和数据通信的唯一国际标准.SERCOS 接口采用光缆将控制部件连接在一起,构成一个封闭的环路,如图1 所示.它支持多种通信速率,最快可达 16Mb/s,同时接口的时钟周期频率可将传输的精度控制在 lVs 以下,因此它可以完成数据的严格实时同步传输
3、,确保系统的同步运行和控制精度.而且采用 SERCOS 接口可以很容易将不同制造商的数字控制器和驱动联人一个系统中,能图 I 具有 SERCOS 接 13 的够实现各自产品的特性和功能.驱动器所组成的数控系统2 用 ERCANS 进行数据通信SERCANS 是一种插在计算机中用于实现数据交换的通信卡,具有 SERCOS 通信协议若循环周期为 1ms,通信速率为 4Mb/s,则 SoftSERCANS 可同时控制 40 根驱动轴,利用 SoftSERCANS 卡开发数控系统的底层应用软件,实现计算机,数字伺服系统与 I/0 站之间的实时数据通信,即用软件来实现高档 CNC 系统的功能,这将极大地
4、减少原有数控系统的硬件配置,降低系统成本,而且有利于提高系统的开放性,柔性,可靠性,运行的稳定性和可维护性.2.1 实时交换的数据ftSERCANS 交换的数据由两部分组成:一个是周期性数据即实时数据,在每次通信循环中都要进行交换,如位置命令值,速度命令值,驱动器的实际值或I/O 站状态 ;另一个是非周期性数据,用于设置 SER.COS 参数以实现对伺服驱动器或 I/O 站的各种控制.2.2 实时交换数据的同步要实现高精度,高速度的运动控制,控制系统与伺服驱动之间数据交换的实时性和同步性至关重要.实时交换数据的同步是指每一次传输循环的同一时刻完成同样的工作虽然各个驱动器或 I/O 站接受和发送
5、数据的时刻不同,但它们的有效时刻是一致的,即在控制系统发出中断,送出 MST 信号后,MDT 中的命令值在所有驱动器中同时生效,AT 中的测量数据在同一时图 2 实时数据空换的时序注=MST(bIasterSy 肿 hz 丑 tmnTelegram)主同步协议 ,到达 MST 肘进行数据传输AT(DrlveTelam)伺暇协议,伺暇运动的实际值MDT(MterData.)主教据协议.伺服运动的命夸值S-04X)06AT 传 裔启动时问Y-0-08SoKSERCANS 结束访问 AT 的时间Y-0.OO06 开始访问 NC 的时间Y-0.1013 访问 Nc 的时间y-1.13012SoftSE
6、RCANS 开始访问 MDT 的时间Y-0.0OO4SERCOS 的周期循环时间 ,一般为 2 聪=一月“刘作为实际值传进到 SoflSERCANS 中.为了保证数据的同步性,开发者必须根据交换的数据量大小规定图2 所示的时序图.2.3MDT 和 AT 的配置MDT(参数 A 一 0 一 ooo2)和 AT(A 一 00003)配置表是 SoftSERCANS 对伺服驱动和 I/O 站进行控制的关键.用户若实现对伺服驱动和 I/O 站的控制,必须设置 MDT 和 AT 配置表.在 MDT 中用户需要设置对伺服驱动的控制方式,如位置控制,速度控制,转矩控制等,以及 I/O 站的访问地址,AT 中
7、需设置用户监控伺服驱动和 I/O 站状态所需的参数.此项功能通过用户软件来实现被控对象的实时数据交换.下面列举了在应用程序中配置一个伺服驱动的 MDT 和 AT 的数据结构及与之对应的配置表.在 MDT 和 AT 中,可分别列出 8 个控制和状态监控参数,我们在实际应用中各使用了 3 个控制和状态监控参数.数据结构:typedefstldlctUSHORTusAccessRing;USHORTUsNbr-data?bytes;USHORTUsControl;USHORTUsDataeye-BUFSIZE;IT.CYC-DATA;MDT 配置表:塑 I1 广 i 而 i 转矩命夸值 l1o 帅
8、6l 谴度奇奇值AT 配置表 :tt 鳓墼 lri:i 转矩实际值 flS-0-0040l 速度实际值3 实时性控制高精度,高速度的数控系统对于实时性要求很高,一般都在 lms 以下.但是在 Windows95/NT 平台下,若要达到这么高的定时精度,很难通过多线程编程来满足高档数控系统的实时性,因此在本系统中选用了RTX5.0 软件来实现实时控制.RTSS(RealtimeSub.system)类似于 WindowsNT 子系统,它有自己的运行环境和应用编程接口,但是它的线程管理具有摄高优先D.s 啪 andR 鹋 e 设计与研究级,不需要响应消息就可独立实现系统的实时性控制.4 系统结构4
9、.1 硬件结构由于本系统的控制功能均由软件来实现,充分体现了开放性,故其硬件结构简单,如图 3 所示.计算机图 3 系统硬件结构4.2 软件绪构系统控制软件在 VenturComRTX5.0 支持下,采用MicrosoftVisualc+6.0 编写,运行于 MicrosoftWin.dowsNT4.0 环境.软件结构如图 4 所示.图 4 系统软件结构5 结语笔者在基于 SERCOS 技术的基础上 ,利用 SoflSER.CANS 通信卡开发出了实时数据通信软件,实现了高档CNC 系统的功能 ,提高了系统的开放性 ,柔性.该系统成功地应用于造纸业的滚切机上,使送纸轮的速度达20Ore/rain(转速在 300350r/rMn),切割 2000nlm 长的瓦楞纸的精度可控制在0.5mm 内,效果良好.参考文献lHso0【_SERCOSInterfStandardGear1dm0lo.1996.13(1)2BLSERCOSutheWayforDigitalDfivMaehinoDes.1994,66(16)3 康存锋等基于 Pc 的开放式数控系统.北京工业大学,2001.27(3)作者:康存锋,北京 I 业大学机电学院,邮政编码:100022.电话:(叭 O)67392238(骗辑徐洁兰)(收稿 13 期:200112031
