1 引言
運動控制系統是以機械運動的驅動設備—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, 在自動控制理論指導下組成的電氣傳動控制系統。在電氣時代, 電動機一直在現代化的生產和生活中起著十分重要的作用。在近年來, 由于半導體制造設備等相關的電子制造設備市場大幅成長, 而使得機器設備上的運動控制系統出現了以下幾點技術需求:
( 1) 多軸運動控制。機器設備因自動化程度提高而使得單一機器上所需要的軸數增多, 一臺設備上十幾軸是常見的事情。在軸數變多后, 如何協調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。隨著半導體制程已經精密到100nm 一下, 在制程及檢測相關設備所要求的運動精度也要更精確, 其它如LCD 設備, SMD 制程設備也有相同要求。
( 4) 要更穩(wěn)定。因為所有設備的投資經費龐大, 系統停機的成本就更顯的突出, 因此所有機器設備制造商都必須追求系統的穩(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, 現場總線技術便是應這些新機器設備的需求而產生的。
2 現場總線運動控制系統通信特性
用于運動控制的現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, 根據預定的算法計算出正確的應答, 然后將應答信息發(fā)送給數字伺服驅動器。從事件發(fā)生到應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, 它的值就是通信協議的實時性指標。但是, 事件觸發(fā)中的事件是隨機的、不可預知的, 所以導致現場總線通信的不確定性, 系統中的各個站點會爭用傳輸介質,導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, 使用非周期性數據傳輸實現最為簡單, 但是也可以用周期性數據傳輸實現, 此時, 就必須標識哪個周期的數據為有效數據。
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據, 然后及時發(fā)送控制數據給伺服驅動器?？刂坪屯ㄐ攀峭ㄟ^一個全局時鐘進行驅動的, 系統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,整個系統是可靠的。時間觸發(fā)控制中的通信周期時間應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, 即數據傳輸必須有確定性, 也稱為實時性。
總體而言, 用于運動控制的現場總線通信協議的性能要求有三點:
( 1) 可靠的通信, 以適合工業(yè)現場惡劣的環(huán)境;
( 2) 數據傳輸的實時性。周期性數據傳輸和非周期性數據傳輸都必須有很高的實時性, 響應時間通常為( 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前位置, 發(fā)送給控制單元。
3 CAN 總線運動控制系統總體設計
CAN 總線( Controller Area Network 控制局域網絡) , 是一種普遍的應用。通過CAN 總線進行數據傳輸與控制, 使伺服電機的性能更加穩(wěn)定, 能更好更靈活地地應用于運動控制系統中。
如圖1 所示, 基于CAN 總線的運動控制系統與控制系統典型結構相比, 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, 第二是其網絡化控制器包括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為一個單層結構的基于CAN 總線的伺服運動控制系統。當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, 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。也可通過互聯網關與 IE( Industry Ethernet) 或Intranet/Internet 上下互聯為一個多層結構的網絡化伺服運動控制系統。
