焦文潭，布 挺，張 剛

（洛陽理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 洛陽471023）

脈沖型伺服控制系統(tǒng)由于成本低、技術(shù)成熟，普遍應(yīng)用于注塑機(jī)（瓶胚、快餐盒）配套機(jī)械臂。隨著行業(yè)發(fā)展，塑機(jī)行業(yè)對(duì)機(jī)械臂的要求出現(xiàn)兩個(gè)趨勢(shì)：第一，由追求工作速度變?yōu)樗俣群腿嵝钥刂撇⒅?。在業(yè)內(nèi)利用脈沖型伺服控制系統(tǒng)將伺服電機(jī)超出額定轉(zhuǎn)速工作，以配合注塑機(jī)[1]提高產(chǎn)能，但也導(dǎo)致機(jī)械臂出現(xiàn)動(dòng)作柔性差、手臂振動(dòng)等缺點(diǎn)。第二，對(duì)控制系統(tǒng)通用性要求高。注塑行業(yè)機(jī)械臂分為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)和非標(biāo)機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)型包含2軸系統(tǒng)和3軸系統(tǒng)。即使如此，最早應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的基于MCU PWM技術(shù)的控制板卡也分為2軸配套控制卡、3軸配套控制卡，系統(tǒng)軟硬件均有所區(qū)別，而基于專用芯片設(shè)計(jì)的脈沖型控制系統(tǒng)一般最多支持4軸，如MCX312（2軸）、MCX314（4軸）。非標(biāo)性設(shè)備軸數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，通常都在3-5軸（如膜內(nèi)貼標(biāo)機(jī)）甚至更多，脈沖型控制系統(tǒng)通用性差，給培訓(xùn)、調(diào)試、維護(hù)及售后帶來了極大的不便，總線型控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)就凸顯出來。近五年，各種總線型控制系統(tǒng)已經(jīng)在業(yè)內(nèi)高端機(jī)上尤其是非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上推廣應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)原理

RTEX協(xié)議[2-3]是Panasonic公司針對(duì)其A5N（包含A6N）系列交流伺服產(chǎn)品開發(fā)的具備高度實(shí)時(shí)性的通訊協(xié)議（通信基礎(chǔ)：100base-TX，全雙工：100Mb/s）。與Ethernet[4]相比，RTEX協(xié)議突出通信的高效性，簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)包更利于通信的實(shí)時(shí)性。RTEX協(xié)議的系統(tǒng)拓?fù)錇榄h(huán)形結(jié)構(gòu)。該協(xié)議支持采用4種通信周期（A5N支持4種，A6N進(jìn)一步擴(kuò)展）：0.0833ms、0.1666ms、0.5ms、1.0ms。協(xié)議通信支持2種數(shù)據(jù)包：16Byte和32Byte。工作模式支持4種 ：PP Mode、CP Mode、CV Mode、CT Mode。 由 于RTEX協(xié)議采用網(wǎng)路傳輸、環(huán)形配置，最多可擴(kuò)展32軸（受MNM1221內(nèi)部映射寄存器限制）。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Maste（r主控系統(tǒng)）板卡主要包含：核心電路（Core control bank）、歐規(guī)注塑機(jī)交互接口區(qū)（European 67 standard）、擴(kuò)展I/O區(qū)（I/O bank）以及電源等輔助電路。

2.1 主控系統(tǒng)

主控制器采用PIC24FJ256DA210。主控板卡的核心電路由PIC MCU、MNM1221、PHY（以太網(wǎng)）以及Pulse Transforme（r脈沖變壓器）構(gòu)成。PIC與驅(qū)動(dòng)器之間的通信通過板卡的MNM1221與A5N驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建環(huán)形拓?fù)鋄5-6]，建立實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

MNM1221是MCU與A5N驅(qū)動(dòng)器連接的紐帶，負(fù)責(zé)發(fā)送主控器（Master）的命令數(shù)據(jù)并接收驅(qū)動(dòng)器（Slave）的反饋數(shù)據(jù)。

2.2 交互信號(hào)

主控板卡的交互信號(hào)結(jié)合工藝流程[7]可分為兩類：（1）與注塑機(jī)交互接口。依據(jù)注塑行業(yè)歐規(guī)67標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)主控板卡與注塑機(jī)電腦的交互信號(hào)。（2）擴(kuò)展I/O區(qū)。擴(kuò)展通用16路Input、16路Output。交互信號(hào)通過總線管理芯片及端口管理芯片受PIC MCU控制?？刂瓢蹇〝U(kuò)展通用I/O：16路輸入、16路輸出，與MNM1221共用數(shù)據(jù)總線。由于主控板卡通信周期為0.5ms，在控制伺服過程中，每0.1ms（NC operate cycle）與環(huán)路的伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換。因此，所有通用I/O均通過總線管理芯片統(tǒng)一管理，防止I/O信號(hào)干擾伺服通信。在一個(gè)指令更新周期，對(duì)I/O狀態(tài)的使能、讀取與輸出在完成伺服數(shù)據(jù)交互之后進(jìn)行。

2.3 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件主要?jiǎng)澐譃閮刹糠郑海?）對(duì)MNM1221狀態(tài)的控制。（2）系統(tǒng)動(dòng)作指令的發(fā)送、反饋及伺服狀態(tài)監(jiān)測(cè)與上傳（HMI）。

對(duì)MNM1221的控制是系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。系統(tǒng)在進(jìn)入運(yùn)行（MNM1221-Running）狀態(tài)后，一條指令的執(zhí)行需要經(jīng)歷二個(gè)環(huán)節(jié)：MCU-MNM1221-A5N。因此，每一個(gè)通訊周期的中斷事件中，首要任務(wù)就是與MNM1221數(shù)據(jù)交換，即MCU發(fā)送指令數(shù)據(jù)包、接收并檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器的反饋數(shù)據(jù)（包含：指令碼和狀態(tài)字等信息）。與伺服通信的關(guān)鍵控制流程[8]如圖1所示。

圖1 伺服通信控制流程圖

3 分析和測(cè)試

3.1 硬件測(cè)試平臺(tái)

搭建硬件平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。平臺(tái)驅(qū)動(dòng)器選擇A5N驅(qū)動(dòng)器（型號(hào)：MADTH1507NA1）。硬件測(cè)試平臺(tái)主要組件如圖2所示。

圖2 硬件平臺(tái)組件（控制板卡、驅(qū)動(dòng)器）

3.2 定位測(cè)試

在測(cè)試過程中，通過PANATERM監(jiān)測(cè)0號(hào)軸（A5N驅(qū)動(dòng)器MACID：0）的狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 定位測(cè)試曲線

在定位測(cè)試中，命令數(shù)據(jù)包中位置指令是指令位置：0x7FFF（指令單位），目標(biāo)速度為3000r/min，加減速度設(shè)為500（指令單位）/s2。通過實(shí)驗(yàn)所得波形曲線可以看到，0號(hào)軸實(shí)速度曲線與指令速度曲線有良好的相似性，說明實(shí)速度對(duì)指令速度有很好的跟隨性。

4 結(jié)束語

本文作者面向注塑行業(yè)應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一款總線型伺服控制板卡?？刂破髋c驅(qū)動(dòng)器的通信采用RTEX協(xié)議，可支持Panasonic的A5N、A6N系列伺服。通過硬件平臺(tái)測(cè)試驗(yàn)證：系統(tǒng)通信可靠、控制效率高、動(dòng)作柔性好，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性、在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)需要進(jìn)一步完善安全機(jī)制，設(shè)計(jì)基于RTEX協(xié)議的I/O板，為現(xiàn)場(chǎng)帶載調(diào)試提供支撐。