1 引言
運動控制系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備—電動機為控制對象, 以控制器為核心, 以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu), 在自動控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動控制系統(tǒng)。在電氣時代, 電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。在近年來, 由于半導(dǎo)體制造設(shè)備等相關(guān)的電子制造設(shè)備市場大幅成長, 而使得機器設(shè)備上的運動控制系統(tǒng)出現(xiàn)了以下幾點技術(shù)需求:
( 1) 多軸運動控制。機器設(shè)備因自動化程度提高而使得單一機器上所需要的軸數(shù)增多, 一臺設(shè)備上十幾軸是常見的事情。在軸數(shù)變多后, 如何協(xié)調(diào)各軸動作就是一個重要的課題。
( 2) 體積要小。由于廠房空間的限制, 機器的體積要求越小越好, 機器內(nèi)控制器的體積也就被要求愈來愈小, 相對的走線空間也愈來愈小。
( 3) 要更精確。隨著半導(dǎo)體制程已經(jīng)精密到100nm 一下, 在制程及檢測相關(guān)設(shè)備所要求的運動精度也要更精確, 其它如LCD 設(shè)備, SMD 制程設(shè)備也有相同要求。
( 4) 要更穩(wěn)定。因為所有設(shè)備的投資經(jīng)費龐大, 系統(tǒng)停機的成本就更顯的突出, 因此所有機器設(shè)備制造商都必須追求系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時也必須考慮在組件損壞要維修時, 必須能快速替換且不出差錯。
綜合以上幾點的需求分析可以看到, 既要在一個控制器內(nèi)進行多軸運動控制, 又要控制器的體積更小, 配線和維修要更容易, 這些條件看來是相沖突的?？梢赃@樣說, 現(xiàn)場總線技術(shù)便是應(yīng)這些新機器設(shè)備的需求而產(chǎn)生的。
2 現(xiàn)場總線運動控制系統(tǒng)通信特性
用于運動控制的現(xiàn)場總線有兩種通信控制策略: 事件觸發(fā)和時間觸發(fā)。事件觸發(fā)中, 控制單元檢測到事件發(fā)生后, 根據(jù)預(yù)定的算法計算出正確的應(yīng)答, 然后將應(yīng)答信息發(fā)送給數(shù)字伺服驅(qū)動器。從事件發(fā)生到應(yīng)答信息的接收之間的延時必須是有限的, 也就是最大值必須是可知的, 它的值就是通信協(xié)議的實時性指標(biāo)。但是, 事件觸發(fā)中的事件是隨機的、不可預(yù)知的, 所以導(dǎo)致現(xiàn)場總線通信的不確定性, 系統(tǒng)中的各個站點會爭用傳輸介質(zhì),導(dǎo)致通信的沖突和不可靠, 很難保證高的實時性。事件觸發(fā)通常是非周期性的, 使用非周期性數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)最為簡單, 但是也可以用周期性數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn), 此時, 就必須標(biāo)識哪個周期的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。
時間觸發(fā)通常是周期性地進行的, 控制單元周期性地計算出控制數(shù)據(jù), 然后及時發(fā)送控制數(shù)據(jù)給伺服驅(qū)動器?？刂坪屯ㄐ攀峭ㄟ^一個全局時鐘進行驅(qū)動的, 系統(tǒng)的行為不僅在功能上得到確定, 而且在時間上也是確定的, 各站點不會爭用傳輸媒介,整個系統(tǒng)是可靠的。時間觸發(fā)控制中的通信周期時間應(yīng)該等于控制周期時間, 或者通信周期時間能夠被控制周期時間整除。周期性的時間觸發(fā)中, 通信周期時間必須固定, 不能有明顯的波動, 即數(shù)據(jù)傳輸必須有確定性, 也稱為實時性。
總體而言, 用于運動控制的現(xiàn)場總線通信協(xié)議的性能要求有三點:
( 1) 可靠的通信, 以適合工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境;
( 2) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。周期性數(shù)據(jù)傳輸和非周期性數(shù)據(jù)傳輸都必須有很高的實時性, 響應(yīng)時間通常為( 1～10) ms。
( 3)命令執(zhí)行和狀態(tài)反饋的同步性。為了達到各坐標(biāo)軸的同步運動精度, 需要各軸在收到命令值之后必須在同一時刻同時執(zhí)行位置控制指令和同時采樣當(dāng)前位置, 發(fā)送給控制單元。
3 CAN 總線運動控制系統(tǒng)總體設(shè)計
CAN 總線( Controller Area Network 控制局域網(wǎng)絡(luò)) , 是一種普遍的應(yīng)用。通過CAN 總線進行數(shù)據(jù)傳輸與控制, 使伺服電機的性能更加穩(wěn)定, 能更好更靈活地地應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)中。
如圖1 所示, 基于CAN 總線的運動控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)相比, 有兩個顯著的特點。第一是其控制對象為伺服運動控制對象, 第二是其網(wǎng)絡(luò)化控制器包括CAN 總線通信媒介和CAN 控制器節(jié)點兩部分。多個CAN 控制器節(jié)點通過CAN 總線通信媒介平行互聯(lián)為一個單層結(jié)構(gòu)的基于CAN 總線的伺服運動控制系統(tǒng)。當(dāng)需要更多軸運動控制時, 只需要簡單的再增加新運動控制節(jié)點, 把新的運動控制節(jié)點作為新的CAN 總線節(jié)點掛接到CAN 總線上就可以形成一個分布式多軸運動控制系統(tǒng), 而且無需在硬件上對原有的運動控制節(jié)點做任何的修改。也可通過互聯(lián)網(wǎng)關(guān)與 IE( Industry Ethernet) 或Intranet/Internet 上下互聯(lián)為一個多層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化伺服運動控制系統(tǒng)。
