0 引言

　　為了實現(xiàn)更高速、更柔性的生產(chǎn)目的，傳統(tǒng)上由機械部件完成的功能越來越多的由伺服系統(tǒng)完成。同時，工業(yè)現(xiàn)場總線的廣泛應用，為分布式控制系統(tǒng)提供了良好的高實時性、高可靠性解決方案。目前，在一些大型包裝、印刷、紡織、機器人和CNC等領域，該方案能夠較好地解決系統(tǒng)模塊化的布局，具有較高的應用價值。采用Powerlink開源技術作系統(tǒng)總線，能夠較好地利用Powerlink開源的優(yōu)勢，提供較高的實時性和安全性，同時具有較低的成本。

1 分布式伺服控制

　　分布式伺服控制實質上是分布式驅動，集中式控制。系統(tǒng)由1個主控制器和，z個驅動節(jié)點組成，通過普通以太網(wǎng)介質組成環(huán)形網(wǎng)絡。主控制器實現(xiàn)多軸控制的軌跡算法和主站通訊協(xié)議。軌跡控制算法實現(xiàn)了各軸的插補運算，并通過現(xiàn)場總線將指令發(fā)送到驅動節(jié)點。驅動節(jié)點根據(jù)目標指令和編碼器反饋信息，實現(xiàn)控制環(huán)路，驅動電機運動。此外，總線上可以擴展I／O設備，采集傳感器信息，擴展其他應用。

　　分布式伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，很大程度上取決于選擇的運動控制總線?？偩€的速度、協(xié)議的效率直接影響了伺服軸的數(shù)據(jù)更新時間，進而影響伺服軸的控制精度；總線的安全可靠性和自診斷、自恢復能力決定了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；總線的應用是否廣泛、調試是否方便，影響了總線的市場通用性，開發(fā)成本的高低。

　　開源技術Ethernet Powerlink具有良好的性能。首先，Powerlink的通信周期短，能夠在幾百微妙內刷新全部節(jié)點的控制信息。其次，Powerlink通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟ǚ椒▉泶_保安全性，摒棄了以前需要的雙絞線裝置，降低了配線需求。歸功于嚴格確定的時序，非常短的循環(huán)周期，很低的網(wǎng)絡抖動，開放的實時通信系統(tǒng)，為Powerlink安全性提供了理想的基礎。此外，Powelrink與標準以太網(wǎng)兼容，具有高實時性、拓撲結構靈活、熱插拔和開源等特點，這些都為Powerlink的廣泛應用提供了基礎。因此，選用Powerlink技術作為伺服控制總線，是性能良好且成本實惠的選擇。

2 Powerlink在伺服驅動器上的實現(xiàn)

　　2.1 硬件框架

　　主控制器和驅動節(jié)點的硬件電路基本相同，都采用Freeseale CortexM4 ARM做主處理器，通過FlexBus總線與FPGA通信。FPGA外接DDR2存儲器件和2個以太網(wǎng)控制芯片DP83630，主要實現(xiàn)Powerlink協(xié)議。驅動節(jié)點還有一個編碼器模塊輸入和電機驅動輸出。

　　2.2 初始化過程

　　首先是主站上電啟動，初始化并等待從站節(jié)點的接人。然后驅動節(jié)點上電，驅動器進行自檢和初始化。此時強電還沒有接通，驅動節(jié)點應答主控制器的IdentRequest請求，完成Powerlink的初始化，并告知應用層當前初始化狀態(tài)。應用層判斷Powerlink初始化正常，接通強電，否則發(fā)出錯誤信息到數(shù)碼管顯示。

　　2.3 正常通信過程

　　初始化成功后，主從站根據(jù)對象字典配置信息進行通訊。主控制器依次給各驅動節(jié)點發(fā)送命令伺服使能，驅動節(jié)點反饋伺服就緒，開始正常運轉。每個通信周期，主控制器給個驅動節(jié)點發(fā)送插補指令，驅動節(jié)點反饋實際轉速和驅動器狀態(tài)信息。

　　2.4 Powerlink移植

　　無論是否采用操作系統(tǒng)，Powerlink一般包括這樣4個任務處理：事件隊列、以太網(wǎng)收發(fā)事件、時鐘事件和外部按鍵輸入處理。由于沒有使用操作系統(tǒng)，所以將事件隊列和ms級時鐘事件放在主函數(shù)中查詢處理，以太網(wǎng)事件、高精度時鐘事件和按鍵輸入處理使用中斷的方式實現(xiàn)，通過接口函數(shù)與協(xié)議棧進行通信。Powerlink主站的移植，針對XilinxSpartan6系列FPGA，修改了Ethernet Edrv。Timer，Buffer，以及Cfm模塊。

　　Ethernet驅動使用了Powerlink IP核，IP核里調用openMAC來管理數(shù)據(jù)收發(fā)。Timer包括1個ms級時鐘和2個ns級時鐘。ms級時鐘由軟核定時器提供，ns級時鐘TimerCycle由FPGA內部50 MHz時鐘產(chǎn)生(每個滴答20 ns)，去掉了另外一個時鐘TimerSlot，數(shù)據(jù)的發(fā)送改由定時發(fā)送幀的函數(shù)omethTransmitTime代替。Cfm配置模塊中，cdc將文件轉換成數(shù)組添加到工程里面，然后將對文件mnobd．cdc的處理轉換成對Buffer的處理，這樣就省去了FPGA對文件系統(tǒng)的支持。

　　Powerlink從站的移植，針對Cyclone IV做了相應修改，大體與主站修改過程類似。

　　2.5 測試結果

　　在100 Mbit／s的網(wǎng)絡帶寬下，通過Powerlink總線，400"s內實現(xiàn)了5個從站伺服驅動器的數(shù)據(jù)刷新，編碼器反饋速度與命令速度之間有1～2個通信周期的滯后，基本上實現(xiàn)了各個驅動節(jié)點的同步控制。具體數(shù)據(jù)量與通信周期的關系如表3所示。

3 結束語

　　分布式伺服控制簡化了機械設計，提高了設計的靈活性，在當前運動控制高速化、多軸化和復雜化的需求下，能夠較好地滿足市場需求?；赑owerlink通信技術的分布式伺服驅動器，結合了目前普遍采用的Powerlink總線技術，能夠較好地滿足較高的實時性和可靠性。