舒志兵 （南京工業(yè)大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制研究所 210009） 摘 要： 伺服系統(tǒng)是機(jī)電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展，交流伺服系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)廣泛運(yùn)用的前景下正向著網(wǎng)絡(luò)化控制方向發(fā)展。筆者在研究基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹了嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器體系結(jié)構(gòu)，總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)化伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，最后介紹了嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器、控制語(yǔ)言和編譯系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：嵌入式控制器 交流伺服 工業(yè)以太網(wǎng) 運(yùn)動(dòng)控制 目前常用的運(yùn)動(dòng)控制器體系結(jié)構(gòu)存在很多缺陷，如體積過(guò)大、結(jié)構(gòu)封閉、不支持網(wǎng)絡(luò)通信等，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制器之間相互孤立，系統(tǒng)升級(jí)過(guò)程中大量資源浪費(fèi)。ISP在線可編程技術(shù)、Internet技術(shù)以及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等信息技術(shù)的發(fā)展，使模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、嵌入式、可重構(gòu)的開(kāi)放式智能運(yùn)動(dòng)控制器成為當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向 , Siemens 公司Horst Kohlbert的預(yù)言“嵌入式以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以及嵌入的Internet服務(wù)器”不久都將成為現(xiàn)實(shí)。 德國(guó)Jetter AG、英國(guó)的Trio、以色列的ELMO等公司相繼發(fā)布了嵌入式智能運(yùn)動(dòng)控制器，宣布了“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”時(shí)代的到來(lái)。 網(wǎng)絡(luò)伺服的特點(diǎn)是：（1）類似Internet的結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)；（2）對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，只有一組數(shù)據(jù)和一個(gè)程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用；（3）可連接到Internet，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠全球化聯(lián)網(wǎng)；（4）以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線。 一、嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器體系結(jié)構(gòu) 在國(guó)外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動(dòng)化（Factory Automation簡(jiǎn)稱FA）工程技術(shù)在最近十年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢(shì)頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232Ｃ或RS-422接口等）和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力。在運(yùn)動(dòng)控制器中，最關(guān)鍵的部分是控制信號(hào)生成模塊，而這個(gè)部分是需要經(jīng)常改進(jìn)和升級(jí)的，采用硬件可重構(gòu)技術(shù)，把需要升級(jí)的模塊從系統(tǒng)中分離出來(lái)然后對(duì)它進(jìn)行在線重構(gòu)，即可完成升級(jí)操作。在基于PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器的體系結(jié)構(gòu)中，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)通信，解決了網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題 。 圖1中可以看出將運(yùn)動(dòng)控制器劃分為網(wǎng)絡(luò)通信模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊兩個(gè)主要部分。其中，網(wǎng)絡(luò)通信模塊直接與Internet連接，并按照預(yù)先確定的通信協(xié)議從控制臺(tái)那里取得控制命令，然后將命令交給運(yùn)動(dòng)控制模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊則直接和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，它在對(duì)命令進(jìn)行分析和判斷之后，產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)傳送給電動(dòng)機(jī)。另外，命令執(zhí)行的結(jié)果也會(huì)返回給網(wǎng)絡(luò)通信模塊，由它再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)返回給控制臺(tái)。 二、網(wǎng)絡(luò)化伺服控制的系統(tǒng)集成 1、基于獨(dú)立性數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成 獨(dú)立性的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)就是在運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，脫離計(jì)算機(jī)或工控機(jī)的通訊操作控制，直接把控制程序和要運(yùn)行的程序下載到運(yùn)動(dòng)控制器本身所帶的FLASHROM 里面。有設(shè)備的外圍觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)程序就開(kāi)始運(yùn)行，以下是基于TRIO的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)框圖： 圖2中上位計(jì)算機(jī)通過(guò)接插支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊適配卡（100M）獲得對(duì)以太網(wǎng)總線的支持，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視管理。上位計(jì)算完成任務(wù)規(guī)劃后，由第三方軟件完成用戶應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，根據(jù)TCP/IP協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)將生成的程序指令傳送給嵌入式多軸運(yùn)動(dòng)控制器。 在圖3的網(wǎng)絡(luò)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器不斷轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生更新的位置命令（運(yùn)動(dòng)曲線），通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線下傳給驅(qū)動(dòng)器，總線節(jié)點(diǎn)解釋指令以后轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào)，控制交流伺服電機(jī)，這樣完成命令所需定位。在一個(gè)多軸系統(tǒng)中，一個(gè)控制器可以控制多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。伺服電機(jī)是主要的執(zhí)行部件，完成具體動(dòng)作。圖3中運(yùn)動(dòng)控制器可以采用英國(guó) Trio 公司的MC206,MC224，Euro205等獨(dú)立型的運(yùn)動(dòng)控制器，這些控制器采用工業(yè)專用的32bit，120MHz-150MHz 的最新微處理技術(shù)，融合最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可選用不同的控制器可控制1-24個(gè)軸?？梢杂?～+/-10v 的模擬量電壓輸出和編碼器反饋形成全閉環(huán)控制，來(lái)控制伺服電機(jī)。也可以控制步進(jìn)電機(jī)，變頻器，氣動(dòng)，液壓伺服，或者是這幾種的任意結(jié)合。Trio帶有可編程控制的 I/O, 也可根據(jù)設(shè)備需要進(jìn)行擴(kuò)展（最多512個(gè)I/O）。 2、基于觸摸屏 + 獨(dú)立型數(shù)字控制器的開(kāi)放控制系統(tǒng) 在一些流水線生產(chǎn)設(shè)備或批量產(chǎn)品的加工設(shè)備上，需要修改某些加工的工藝數(shù)據(jù)或者需要監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如：登場(chǎng)裁切設(shè)備，對(duì)于裁切的長(zhǎng)度就需要?dú)q工藝的不同和產(chǎn)品的不同需要修改，因?yàn)橛|摸屏操作方便，價(jià)格便宜（比工控機(jī)便宜的多），所以采用觸摸屏來(lái)修改數(shù)據(jù)或顯示所與需要監(jiān)視的數(shù)據(jù)，如加工速度，產(chǎn)量等。 Trio、ELMO等獨(dú)立型數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制型的通訊口都具有Modbus、Ethernet協(xié)議，可以直接接各種各樣的觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如：HITECH，Schneider，EasyView 等。其控制原理框圖與基于獨(dú)立型數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)集成一樣，只是在數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制的通訊口上接了一個(gè)觸摸屏。如圖3所示的基于觸摸屏的分布式智能控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由工業(yè)觸摸屏、多軸運(yùn)動(dòng)控制器、交流伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)，本文采用的是泉毅公司的PWS6600系列，其特征是多軸運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)Modbus或Ethernet與工業(yè)觸摸屏相連，交流伺服驅(qū)動(dòng)器之間以及交流伺服驅(qū)動(dòng)器與多軸運(yùn)動(dòng)控制器之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線相連，交流伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出與交流伺服電機(jī)相連。 PWS6600 （以下簡(jiǎn)稱PWS）的面板采用高解析度STN的液晶顯示模組，並符合IP65/NEMA 4的防水防塵設(shè)計(jì)等級(jí)，能儲(chǔ)存255幅畫面，每一畫面可由文字、圖形以及指定的系統(tǒng)內(nèi)部資料組成，設(shè)計(jì)者只需要編輯出各種畫面，用以顯示設(shè)備狀態(tài)、操作指示、參數(shù)設(shè)定、動(dòng)作流程、統(tǒng)計(jì)資料、警報(bào)信號(hào)、簡(jiǎn)易報(bào)表等。 3、基于PC機(jī) + 數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)集成 有的設(shè)備由于所控制的工程和加工的零件負(fù)載，前面的兩種系統(tǒng)集成方式都無(wú)法滿足設(shè)備和加工工藝的要求，需要采用計(jì)算機(jī)與數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合，通過(guò)數(shù)組運(yùn)動(dòng)控制器的專用控制或者動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，利用 vb,vc 等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)出專用或者通用的控制系統(tǒng)來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。 Trio 公司的 PCI208 產(chǎn)品是一款基于 PC 機(jī)的 PCI 總線的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制卡，該控制卡采用工業(yè)專用的32bit浮點(diǎn)50MHz的DSP最新微處理技術(shù)，提高了運(yùn)算速度和處理能力，融合了最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可以控制 2～8 個(gè)軸，可以控制伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，變頻器，氣動(dòng) / 液壓伺服缸或者這幾種的任意結(jié)合，另外，還帶有 20 個(gè)輸入點(diǎn)和 10 個(gè)輸出點(diǎn) 也帶 2 個(gè) CAN 總線擴(kuò)展口，可以通過(guò) CAN 總線擴(kuò)展 I/O 和 16bit 的模擬輸入電壓模塊． 三、運(yùn)動(dòng)控制器專用控制語(yǔ)言及編譯系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言是人的控制意圖和控制器交流的主要方式。運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言編寫的程序，必須通過(guò)編譯或解釋來(lái)使運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行。所以運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言及其編譯器或解釋器直接影響到運(yùn)動(dòng)控制器使用的難易，運(yùn)動(dòng)控制器功能的強(qiáng)弱，以及運(yùn)動(dòng)控制器響應(yīng)的速度。 高級(jí)語(yǔ)言形式的運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言在國(guó)內(nèi)還很少有人研究，國(guó)外的運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言一般采用高級(jí)語(yǔ)言的形式，然后添加適合運(yùn)動(dòng)控制的指令進(jìn)行擴(kuò)展。本文主要介紹ELMO類VC語(yǔ)言ELMO Studio和TRIO類VB語(yǔ)言trioBASIC。 ELMO Studio和trioBASIC等運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言采用高級(jí)語(yǔ)言，指令簡(jiǎn)潔易懂易記，編程簡(jiǎn)單，具有基本的PLC和運(yùn)動(dòng)控制功能。PLC和運(yùn)動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)采用統(tǒng)一的一種編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)化了程序的編寫。ELMO Studio和trioBASIC等語(yǔ)言由上位機(jī)編譯器對(duì)源程序進(jìn)行詞法、語(yǔ)法、語(yǔ)義進(jìn)行分析，上位機(jī)編譯器最終生成中間代碼，然后下載到嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器（下位機(jī)）中由解釋器解釋，下位機(jī)解釋器使用一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)讀取并解釋下載到運(yùn)動(dòng)控制器用戶程序區(qū)的運(yùn)動(dòng)控制程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制。 ELMO類VC語(yǔ)言ELMO Studio和TRIO類VB語(yǔ)言trioBASIC語(yǔ)言是分別基于VC和VB語(yǔ)言的子集，并針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和PLC邏輯控制擴(kuò)展了相應(yīng)控制指令。他們都支持整型、和浮點(diǎn)型及布爾型等多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，程序整體結(jié)構(gòu)采用函數(shù)組成，由主函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行。程序的控制結(jié)構(gòu)有循環(huán)結(jié)構(gòu)for語(yǔ)句，while語(yǔ)句、選擇分支結(jié)構(gòu)if語(yǔ)句、無(wú)條件跳轉(zhuǎn)等語(yǔ)句，程序支持的運(yùn)算有算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、關(guān)系運(yùn)算。 四、嵌入式伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和SOPC技術(shù) 目前嵌入式系統(tǒng)大多采用了含有ARM或單片機(jī)處理器核的器件，盡管由這些器件構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)有很強(qiáng)的功能，但為了使系統(tǒng)更為靈活完備，功能更為強(qiáng)大，對(duì)更多任務(wù)的完成具有更好的適應(yīng)性，通常必須為此處理器配置許多接口器件才能構(gòu)成一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)。如除配置常規(guī)的SRAM、DRAM、Flash外，還必須配置網(wǎng)絡(luò)通信接口、串行通信接口、USB接口、VGA接口、PS/2接口或其他專用接口等。這樣會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的體積、功耗，而降低系統(tǒng)的可靠性?？删幊唐霞夹g(shù)（SOPC）技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了上述問(wèn)題。 SOPC技術(shù)是美國(guó)Altrea公司于2000年最早提出的，SOPC是基于FPGA解決方案的SOC，與ASIC的SOC解決方案相比，SOPC系統(tǒng)及其開(kāi)發(fā)技術(shù)具有更多的特色，構(gòu)成SOPC的方案也有如下多種途徑。 五、基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng) 目前最有代表性的軟核處理器分別是Altera的Nios、Nios II核，及Xilinx的MicroBlaze核。特別是Nios系統(tǒng)，用戶可隨意配置和構(gòu)建的32位/16位指令集和數(shù)據(jù)通道的嵌入式微處理器IP核，采用Avalon總線結(jié)構(gòu)通信接口，帶有增強(qiáng)的內(nèi)存、調(diào)試和軟件功能；含由First Silicon Solutions（FS2）開(kāi)發(fā)的基于JTAG的片內(nèi)設(shè)備（OCI）內(nèi)核。此外，基于Quartus II平臺(tái)的用戶可編輯的Nios核含有許多可配置的接口模塊核，包括：可配置高速緩存模塊，RS232通信口、SDRAM控制器、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議接口、DMA、定時(shí)器、協(xié)處理器等。在植入FPGA前，用戶可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用Quartus II和SOPC Builder，對(duì)Nios及其外圍系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源占用等方面全面滿足用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。 特別值得一提的是，通過(guò)Matlab和DSP Builder，或直接使用VHDL等硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)，用戶可以為Nios嵌入式處理器設(shè)計(jì)各類加速器，并以指令的形式加入Nios的指令系統(tǒng)，從而成為Nios系統(tǒng)的一個(gè)接口設(shè)備，與整個(gè)片內(nèi)嵌入式系統(tǒng)融為一體。例如，用戶可以根據(jù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的具體要求，隨心所欲地構(gòu)建自己的DSP處理器系統(tǒng)，而不必拘泥于其他DSP公司已上市的有限款式的DSP處理器。 六、基于HardCopy技術(shù)的SOPC系統(tǒng) HardCopy技術(shù)是一種全新的SOC級(jí)ASIC設(shè)計(jì)解決方案，首先利用Quartus II將系統(tǒng)模型成功實(shí)現(xiàn)于HardCopy FPGA上，然后幫助設(shè)計(jì)者把可編程解決方案無(wú)縫地遷移到低成本的ASIC上的實(shí)現(xiàn)方案。這樣，HardCopy器件就把大容量FPGA的靈活性和ASIC的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，避開(kāi)了直接設(shè)計(jì)ASIC的困難，而從原型設(shè)計(jì)提升至產(chǎn)品制造，通過(guò)FPGA的設(shè)計(jì)十分容易地移植到HardCopy器件上，達(dá)到降低成本，加快面市周期的目的。HardCopy ASIC是直接在Altera PLD體系之上構(gòu)建的，采用有效利用面積“邏輯單元?！眱?nèi)核。本質(zhì)上，HardCopy器件是FPGA的精確復(fù)制，剔除了可編程性，專用配置和采用金屬互連使用的走線。這樣，器件的硅片面積就更小，成本就更低，而且還改善了時(shí)序特性。 七、結(jié)論 可編程片上技術(shù)（SOPC）技術(shù)的出現(xiàn)，使得運(yùn)動(dòng)控制器做到單個(gè)集成電路芯片大小，可以被嵌入到它所控制的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，從而帶來(lái)了模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、嵌入式、可重構(gòu)的開(kāi)放式智能運(yùn)動(dòng)控制器。同時(shí)采用SOPC技術(shù)使運(yùn)動(dòng)控制編程更加簡(jiǎn)易，簡(jiǎn)化了維修和調(diào)試的復(fù)雜性，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，可靠。21世紀(jì)是一個(gè)嶄新的世紀(jì)，也定將是各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的世紀(jì)。相信隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高，同時(shí)伴隨著制造業(yè)的不斷升級(jí)和“柔性制造技術(shù)”的快速發(fā)展，必將為“柔性加工和制造技術(shù)”的核心技術(shù)之一的“伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)”迎來(lái)又一大好的發(fā)展時(shí)機(jī)。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集