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一种基于以太网的交流伺服实验系统
jiang_0514 发表于 2009/2/27 9:49:31 829 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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随着现场总线技术的日益成熟，美国、日本、欧洲相继研制了融现场总线技术和100m以太网技术，plc技术，可视化人机接口技术和全球化生产管理技术为一体的工业自动化控制系统。德国jetter ag公司推出jetweb、keb公司推出的kebmotion、lence公司的lence、英国trio公司推出的triomotion、以色列elmo公司推出的masetro等。以太网是控制器的一部分并作为连接智能控制模块的系统总线;内部和外部的数据通讯在此没有区别，网络就是控制器。以太网系统总线就是现场总线，可连接到每个独立的控制模块。
为了适应现场总线新技术的发展，很多高校电气类、电子类、机电一体化以及其它一些专业都相继开设了《现代交流伺服控制》这门课程（注:教材已由清华大学出版社出版）。但是与这门课程配套的实验设备与装置数量还是很有限，这无疑对学生学习先进的自动控制技术是十分欠缺的。为了解决这一现象，作者所在研究所研制了一种“基于以太网交流伺服实验系统”。学生可以通过can总线和以太网构建网络实验，完成诸如数据远程采集、电机远程控制与检测等一系列基于现场总线的控制实验。
实验系统组成与工作原理
实验系统组成
在开放式伺服数控的研究方面，美国、德国、日本和欧洲在技术上处于领先行列。国内的伺服研究起步比较晚。笔者与天津罗升集团合作，采用以色列elmo伺服构建了基于以太网和can总线的网络化教学用开放式伺服控制系统。
本设计的优点:
解决了高校《现代交流伺服控制》这门课程的实验课急需，有利于增强学习课程的感性认识，提高他们的动手能力，提高学习兴趣;
改变了学生过去的现场控制的概念，有利于拓展视野;
不仅适用于高等学校机电一体化，电子电器，电气自动化专业生产实习、课程设计的实验研究，可作为电机类本科生及研究生的开放性试验平台，为其认识和掌握现代交流调速及伺服系统奠定必要的基础，而且可直接运用于数码雕刻、包装机械、模具生产等工业生产应用场合。它构成了一个远程控制的伺服控制系统，通过微机编程，可进行多自由度、多机协调控制，实现高速、高进度、低震动等伺服特性，还可用于机器人控制、柔性制造业等领域;
可实现远程控制、维修、诊断等，节约运行成本。
基于以太网和can总线的教学用交流伺服体系结构[1]见图1。控制系统由上位计算机（1）、多轴运动控制器（2）、交流伺服驱动器（3）和交流伺服电机（4），其特征是多轴运动控制器（2）通过以太网或局域网与上位计算机（1）相连，交流伺服驱动器（3）之间以及交流伺服驱动器与多轴运动控制器（2）之间通过通过can总线相连，交流伺服驱动器（3）的输出与交流伺服电机（4）相连。
图1 基于以太网的伺服实验设备系统
系统工作原理
上位计算机（1）通过接插支持tcp/ip协议的网络通讯适配卡（100m）获得对以太网总线的支持，负责对整个系统的运行和工作状态进行监视管理。上位计算 机（1）完成任务规划后，根据tcp/ip协议通过以太网向多轴控制器（2）发送指令信息，控制器解释指令后，通过透明网关[2]将tcp/ip协议转化为can2.0b网络协议，通过can总线向交流伺服驱动器（3）发送控制命令，can节点解释指令以后转化为数字脉冲信号，控制交流伺服电机（4）。由于集线器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间可以把内部通讯从外部通讯中分离开来。集线器技术及底层协议的集成，确保了以太网的确定性和兼容性，排除了通讯的碰撞问题。整个过程或系统被看作为一个逻辑单元，甚至是一个独立的控制器。不需考虑网络的各层概念，而只形成为一个层，去除了cpu的瓶颈效应。所有数据在网络中仅需表达一次，网络扮演真正的服务器。
插补方案采用粗精两级插补，由上位机进行粗插补，根据进给速度和加减速的要求计算出每个轴每个插补周期的位移量，并将位移量转换为脉冲数送给多轴控制器，每个多轴控制器可以最多协调控制109个伺服电机，当然，也可以用can总线直接控制伺服驱动器，只是编程较为繁琐。
在位置伺服控制中，本系统采用pip（比例-积分-比例）控制算法,而不是传统的pid控制[3]。pip控制最初是由young等人[4][5]提出的，由于篇幅的缘故本文不做详细的分析。
实验的设计
基于以太网的交流伺服实验系统已成功地在南京工业大学运动控制研究所中搭建完成，该系统性能稳定，质量可靠，可广泛应用于数码雕刻，包装机械，模具生产等工业生产应用场合，更适用于高等学校机电一体化，电子电器，电气自动化专业学生（研究生）生产实习，课程设计等课程的实验研究。并且开发了can总线基础实验、远程控制实验、交流伺服控制实验、数控插补、运动轨迹设计等一系列实验。所开发的各项实验分为基础实验、扩展实验、创新实验三个层次。
下面通过远程控制电机的系统实验来具体说明本实验系统的系统教学实验设计。
基础实验
基础实验要求学生了解实验的原理和过程，能独立完成实验指导书上要求的验证实验。学生通过实验指导书的要求和步骤完成（如控制算法，观察各种曲线轨迹插补过程，多电机同步控制及联动参数调整，指导调整器参数设定，运动系统性能测试等）实验达到验证性，同时进一步了解实验的原理和过程。
本系统采用的是以色列elmo公司的位置伺服控制系统，其驱动器内集成的是motorola公司开发的电机专用芯片dsp56f805。图2为用dsp56f805[7][8][9]实现对三相永磁同步电机控制的实验系统框图，该系统可以实现对电机速度的闭环控制。电机位置的检测采用的是“反电动势过零检测法”。其中，过零信号由dsp56f805正交解码模块的输入监控寄存器（imr）读取，pwm 输出通道屏蔽操作的切换则由写入pwm模块的pwm通道控制寄存器（pmccr）的相应msk位实现。pwm模块被设置为独立模式，输出频率为16khz。程序既可以在dsp56f805 的内部flash 中运行，也可以在evm 板上的外部ram 中运行，这可以通过在程序编译时进行目标选择。系统中的并口是用于进行程序目标代码的下载。这样，电机运行的启停和速度调节控制既可以手工控制，也可以通过计算机进行访问控制。
扩展实验
扩展实验则是在基本实验的基础上掌握实验软件的流程，熟悉完成本实验的功能函数。本实验对象是一个多电机协调控制系统,每个电机都由一个dsp56f805芯片来控制, 从而形成一个以dsp控制器为核心的以控制电机为目的的智能节点。然后，利用can总线将这些智能节点连接起来，最后通过以太网构成远程控制系统。该控制系统由计算机（pc机）、基于计算机的以太网信息管理终端（网卡）、嵌入式透明网关（多轴控制器）、交流伺服电机和具有dsp的交流伺服驱动器组成[6]。
学生通过实验指导教师的讲授掌握实验软件的流程并熟悉完成本实验的功能函数，在软件编译环境下阅读软件代码，通过运行函数function run（）来实现控制命令解释，学生对实验指导书上列举的实验，采用vc++开发曲线控制程序，实现function run（）的功能。然后在熟练掌握tcp/ip、can协议的基础上，开发通信控制接口api，并用mfc开发一个小型的控制软件界面，装载需要开发的各种曲线控件。
例如:学生可以通过本地计算机（假设ip:10.0.0.23）完成远程控制can控制器id=004的伺服电机顺时针旋转规定转数的实验，控制id=001号和id=002号的伺服电机协同工作画重复圆的实验。学生要先在实验指导书上查阅到控制伺服电机的控制命令，然后自己按照实验的要求得到控制命令，再按照实验步骤发送控制命令，最后在ip地址为10.0.0.28计算机终端验证实验完成的正确性。
创新实验
创新实验是在前两个实验的基础上，为了充分挖掘实验的潜力和培养学生的创新能力而开发的，要求学生针对实验软件自身的不足，通过修改程序代码来改进实验软件。
对于更高层次的研究，学生可以开发各种数控加工的组件，对南工大现场总线控制软件的不足部分或者自己在操作实验中所发现的实验软件的问题进行改进。例如:软件中没有开发数控g代码等，学生可以在学习了伺服电机的远程控制代码的基础上，尝试完成新功能的实现。这部分实验相对难度较大，学生可以多人组成团队并在实验老师的指导下完成。
作为学生的课程设计，该实验装置预留了很多扩充接口，以备后续开发，比如现在很多重要的设备/场合都需要进行视频监控，以往的做法是通过ntsc/pal模拟信号送至中央监控室，100个监控点需拉100条同轴电缆[6]。若需要将现场的设备状态反映在企业的管理级网络中，则将上位机连入企业网内，通过视频卡数字化和视频服务器实现视频图象在网上传播。异地查看设备运行状态也必须通过internet到企业网，再到与现场控制器紧密相连的控制系统的i/o服务器取数据。现在可以采用台湾上尚公司推出了基于tcp/ip全数字化摄像机，由于学生在自己开发的软件中已经实现了tcp/ip控制，所以只需要在自己的软件中增加相应的控件，就可以通过internet/intranet可以直接操控摄像机或者将实时视频图像和过程数据反馈到系统中，由反馈数据通过internet/intranet来操控nut教学用总线伺服系统，视频远程控制的目的。
图2 基于dsp的电机调速系统
结语
本文提出的以太网、can总线和dsp相结合的实验控制系统为交流伺服的网络化研究和应用作出了一次有益的新探索。以太网可以通过tcp/ip方面地构成远程控制网络，can总线可以很好地满足控制系统对实时响应的较高要求，同时使用can总线还使得系统具有很好的扩展性能。
nut总线伺服系统可进行多自由度的协调控制，实现高速（3000r/min）、高精度（16384p/r）、低震动等伺服特性，该技术代表21世纪最新调速及伺服传动控制，可应用于机器人控制、柔性制造业等领域。其开发的学生实验系统，可提供电机电气类本科生及研究生开放性试验平台，为其认识和掌握现代交流调速及伺服系统奠定必要基础。该系统集小型、高性能和易用性于一身，在设计时充分考虑学生的特点，开放性好，可结合教学要求，自行设计算法，强调学生的思考能力和动手能力，加深对理论的理解，同时考虑到教师的需要，为教师进行科研开发创造条件。该系统的研制成功，必将在21世纪的运动控制领域内发挥重要的作用。
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为了适应现场总线新技术的发展，很多高校电气类、电子类、机电一体化以及其它一些专业都相继开设了《现代交流伺服控制》这门课程（注:教材已由清华大学出版社出版）。但是与这门课程配套的实验设备与装置数量还是很有限，这无疑对学生学习先进的自动控制技术是十分欠缺的。为了解决这一现象，作者所在研究所研制了一种“基于以太网交流伺服实验系统”。学生可以通过can总线和以太网构建网络实验，完成诸如数据远程采集、电机远程控制与检测等一系列基于现场总线的控制实验。
实验系统组成与工作原理
实验系统组成
在开放式伺服数控的研究方面，美国、德国、日本和欧洲在技术上处于领先行列。国内的伺服研究起步比较晚。笔者与天津罗升集团合作，采用以色列elmo伺服构建了基于以太网和can总线的网络化教学用开放式伺服控制系统。
本设计的优点:
解决了高校《现代交流伺服控制》这门课程的实验课急需，有利于增强学习课程的感性认识，提高他们的动手能力，提高学习兴趣;
改变了学生过去的现场控制的概念，有利于拓展视野;
不仅适用于高等学校机电一体化，电子电器，电气自动化专业生产实习、课程设计的实验研究，可作为电机类本科生及研究生的开放性试验平台，为其认识和掌握现代交流调速及伺服系统奠定必要的基础，而且可直接运用于数码雕刻、包装机械、模具生产等工业生产应用场合。它构成了一个远程控制的伺服控制系统，通过微机编程，可进行多自由度、多机协调控制，实现高速、高进度、低震动等伺服特性，还可用于机器人控制、柔性制造业等领域;
可实现远程控制、维修、诊断等，节约运行成本。
基于以太网和can总线的教学用交流伺服体系结构[1]见图1。控制系统由上位计算机（1）、多轴运动控制器（2）、交流伺服驱动器（3）和交流伺服电机（4），其特征是多轴运动控制器（2）通过以太网或局域网与上位计算机（1）相连，交流伺服驱动器（3）之间以及交流伺服驱动器与多轴运动控制器（2）之间通过通过can总线相连，交流伺服驱动器（3）的输出与交流伺服电机（4）相连。
图1 基于以太网的伺服实验设备系统
系统工作原理
上位计算机（1）通过接插支持tcp/ip协议的网络通讯适配卡（100m）获得对以太网总线的支持，负责对整个系统的运行和工作状态进行监视管理。上位计算 机（1）完成任务规划后，根据tcp/ip协议通过以太网向多轴控制器（2）发送指令信息，控制器解释指令后，通过透明网关[2]将tcp/ip协议转化为can2.0b网络协议，通过can总线向交流伺服驱动器（3）发送控制命令，can节点解释指令以后转化为数字脉冲信号，控制交流伺服电机（4）。由于集线器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间可以把内部通讯从外部通讯中分离开来。集线器技术及底层协议的集成，确保了以太网的确定性和兼容性，排除了通讯的碰撞问题。整个过程或系统被看作为一个逻辑单元，甚至是一个独立的控制器。不需考虑网络的各层概念，而只形成为一个层，去除了cpu的瓶颈效应。所有数据在网络中仅需表达一次，网络扮演真正的服务器。
插补方案采用粗精两级插补，由上位机进行粗插补，根据进给速度和加减速的要求计算出每个轴每个插补周期的位移量，并将位移量转换为脉冲数送给多轴控制器，每个多轴控制器可以最多协调控制109个伺服电机，当然，也可以用can总线直接控制伺服驱动器，只是编程较为繁琐。
在位置伺服控制中，本系统采用pip（比例-积分-比例）控制算法,而不是传统的pid控制[3]。pip控制最初是由young等人[4][5]提出的，由于篇幅的缘故本文不做详细的分析。
实验的设计
基于以太网的交流伺服实验系统已成功地在南京工业大学运动控制研究所中搭建完成，该系统性能稳定，质量可靠，可广泛应用于数码雕刻，包装机械，模具生产等工业生产应用场合，更适用于高等学校机电一体化，电子电器，电气自动化专业学生（研究生）生产实习，课程设计等课程的实验研究。并且开发了can总线基础实验、远程控制实验、交流伺服控制实验、数控插补、运动轨迹设计等一系列实验。所开发的各项实验分为基础实验、扩展实验、创新实验三个层次。
下面通过远程控制电机的系统实验来具体说明本实验系统的系统教学实验设计。
基础实验
基础实验要求学生了解实验的原理和过程，能独立完成实验指导书上要求的验证实验。学生通过实验指导书的要求和步骤完成（如控制算法，观察各种曲线轨迹插补过程，多电机同步控制及联动参数调整，指导调整器参数设定，运动系统性能测试等）实验达到验证性，同时进一步了解实验的原理和过程。
本系统采用的是以色列elmo公司的位置伺服控制系统，其驱动器内集成的是motorola公司开发的电机专用芯片dsp56f805。图2为用dsp56f805[7][8][9]实现对三相永磁同步电机控制的实验系统框图，该系统可以实现对电机速度的闭环控制。电机位置的检测采用的是“反电动势过零检测法”。其中，过零信号由dsp56f805正交解码模块的输入监控寄存器（imr）读取，pwm 输出通道屏蔽操作的切换则由写入pwm模块的pwm通道控制寄存器（pmccr）的相应msk位实现。pwm模块被设置为独立模式，输出频率为16khz。程序既可以在dsp56f805 的内部flash 中运行，也可以在evm 板上的外部ram 中运行，这可以通过在程序编译时进行目标选择。系统中的并口是用于进行程序目标代码的下载。这样，电机运行的启停和速度调节控制既可以手工控制，也可以通过计算机进行访问控制。
扩展实验
扩展实验则是在基本实验的基础上掌握实验软件的流程，熟悉完成本实验的功能函数。本实验对象是一个多电机协调控制系统,每个电机都由一个dsp56f805芯片来控制, 从而形成一个以dsp控制器为核心的以控制电机为目的的智能节点。然后，利用can总线将这些智能节点连接起来，最后通过以太网构成远程控制系统。该控制系统由计算机（pc机）、基于计算机的以太网信息管理终端（网卡）、嵌入式透明网关（多轴控制器）、交流伺服电机和具有dsp的交流伺服驱动器组成[6]。
学生通过实验指导教师的讲授掌握实验软件的流程并熟悉完成本实验的功能函数，在软件编译环境下阅读软件代码，通过运行函数function run（）来实现控制命令解释，学生对实验指导书上列举的实验，采用vc++开发曲线控制程序，实现function run（）的功能。然后在熟练掌握tcp/ip、can协议的基础上，开发通信控制接口api，并用mfc开发一个小型的控制软件界面，装载需要开发的各种曲线控件。
例如:学生可以通过本地计算机（假设ip:10.0.0.23）完成远程控制can控制器id=004的伺服电机顺时针旋转规定转数的实验，控制id=001号和id=002号的伺服电机协同工作画重复圆的实验。学生要先在实验指导书上查阅到控制伺服电机的控制命令，然后自己按照实验的要求得到控制命令，再按照实验步骤发送控制命令，最后在ip地址为10.0.0.28计算机终端验证实验完成的正确性。
创新实验
创新实验是在前两个实验的基础上，为了充分挖掘实验的潜力和培养学生的创新能力而开发的，要求学生针对实验软件自身的不足，通过修改程序代码来改进实验软件。
对于更高层次的研究，学生可以开发各种数控加工的组件，对南工大现场总线控制软件的不足部分或者自己在操作实验中所发现的实验软件的问题进行改进。例如:软件中没有开发数控g代码等，学生可以在学习了伺服电机的远程控制代码的基础上，尝试完成新功能的实现。这部分实验相对难度较大，学生可以多人组成团队并在实验老师的指导下完成。
作为学生的课程设计，该实验装置预留了很多扩充接口，以备后续开发，比如现在很多重要的设备/场合都需要进行视频监控，以往的做法是通过ntsc/pal模拟信号送至中央监控室，100个监控点需拉100条同轴电缆[6]。若需要将现场的设备状态反映在企业的管理级网络中，则将上位机连入企业网内，通过视频卡数字化和视频服务器实现视频图象在网上传播。异地查看设备运行状态也必须通过internet到企业网，再到与现场控制器紧密相连的控制系统的i/o服务器取数据。现在可以采用台湾上尚公司推出了基于tcp/ip全数字化摄像机，由于学生在自己开发的软件中已经实现了tcp/ip控制，所以只需要在自己的软件中增加相应的控件，就可以通过internet/intranet可以直接操控摄像机或者将实时视频图像和过程数据反馈到系统中，由反馈数据通过internet/intranet来操控nut教学用总线伺服系统，视频远程控制的目的。
图2 基于dsp的电机调速系统
结语
本文提出的以太网、can总线和dsp相结合的实验控制系统为交流伺服的网络化研究和应用作出了一次有益的新探索。以太网可以通过tcp/ip方面地构成远程控制网络，can总线可以很好地满足控制系统对实时响应的较高要求，同时使用can总线还使得系统具有很好的扩展性能。
nut总线伺服系统可进行多自由度的协调控制，实现高速（3000r/min）、高精度（16384p/r）、低震动等伺服特性，该技术代表21世纪最新调速及伺服传动控制，可应用于机器人控制、柔性制造业等领域。其开发的学生实验系统，可提供电机电气类本科生及研究生开放性试验平台，为其认识和掌握现代交流调速及伺服系统奠定必要基础。该系统集小型、高性能和易用性于一身，在设计时充分考虑学生的特点，开放性好，可结合教学要求，自行设计算法，强调学生的思考能力和动手能力，加深对理论的理解，同时考虑到教师的需要，为教师进行科研开发创造条件。该系统的研制成功，必将在21世纪的运动控制领域内发挥重要的作用。