（机械电子工程专业论文）无轴传动系统运动控制总线的研究.pdf

捅要 摘要 随着3 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r 0 1 ) 技术的发展，自2 0 世纪8 0 年代末，在工业控制领域，集散控制系统( d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m l 逐步 开始向现场总线控制系统( f c s f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 过渡。现场总线是一种连 接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输和多分支结构的通讯 网络。它的出现，为解决伺服接口问题提供了新思路和新方法。 论文结合“印刷设备的无轴传动系统研究”这一课题的要求和无轴传动系统 的实际特点，选择了s e r c o s 总线作为“无轴传动系统运动控制总线”，并进行 了深入的研究和探讨。 论文在详细分析s e r c o s 总线协议的体系结构和工作原理的基础上，结合 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 高性能的处理及控制功能，设计了s e r c o s 总线接口卡。该卡通 过c a n 总线接口与伺服驱动器相连，并通过差分同步控制信号来保证伺服单元 与s e r c o s 接口的同步工作。另外，在整个装置的软、硬件设计中均采用了比 较先进的设计思想和技术方案。 分析了s e r c o n 8 1 6 的功能特点，详细说明了s e r c o n $ 1 6 初始化参数的计 算方法。 研究并实现了s e r c o s 接口的初始化过程，包括通信阶段的切换、i d n 参数 的存储格式及读写过程、过程命令的执行机制、服务通道和周期性数据通道的数 据传送机制等等。 论文还对c a n 总线的特点及结构进行了叙述，并运用c a n 总线的通信原理， 实现了s e i k o s 接口卡与伺服驱动器的实时通信功能。 最后，搭建了基于c o d e s y s 的s e r c o s 接口卡测试系统。测试结果表明， 本文所设计的s e r c o s 接口卡能完成s e r c o s 接口基本的通信功能。 关键词无轴传动；运动控制总线；s e r c o s ；c a n ；d s p i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r 0 1 ) t e c h n o l o g y ， d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) g r a d u a l l ys t a r t st ot r a n s i tt of c s ( f i e l db u s c o n t r o ls y s t e m ) i nt h ei n d u s t r yc o n t r o ld o m a i nf r o mt h ee n do f19 8 0 s t h ef i e l db u s i so n ek i n do fd i g i t a l ，e n t i r ed i s p e r s e r ，t w o w a yt r a n s m i s s i o na n dm u l t i b r a n c h e d s t r u c t u r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，w h i c hc o n n e c t si n t e l l i g e n c ef i e l de q u i p m e n ta n d t h ea u t o m a t e ds y s t e m i tp r o v i d e st h en e wm e n t a l i t ya n dt h en e wm e t h o df o rs o l v e d t h es e r v oi n t e r f a c ep r o b l e m t h es e r c o sb u si ss e l e c t e da s t h em o t i o nc o n t r o lb u si ns h a f t l e s sd r i v e s y s t e m a n di st h o r o u g h l yr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , u n i t i n gt h et o p i c r e q u e s t o f “t h er e s e a r c ho fp r i n t i n ge q u i p m e n ts h a f t l e s s s y s t e m ”a n dt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i co fs h a f i l e s sd r i v es y s t e m w i t ht h eh i 曲p e r f o r m a n c eo ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2i np r o c e s s i n ga n dt h ec o n t r o l f u n c t i o n t h es e r c o sb u si n t e r f a c ec a r dh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y z i n g s y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ew o r kp r i n c i p l eo fs e r c o sp r o t o c 0 1 t h ec a r dc o n n e c t st h e s e r v od r i v e rb ym e a n so fc a nb u s ，a n dg u a r a n t e e st h es e r v ou n i ta n dt h es e r c o s i n t e r f a c es y n c h r o n i z e dw o r kt h r o u g ht h ed i f f e r e n c es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls i g n a l m o r e o v e r ，t h ea d v a n c e dd e s i g nm e n t a l i t ya n dt h et e c h n i c a lp l a nh a v eb e e nu s e di n d e s i g n i n go f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fs e r c o n 8 1 6 s p e c i f i e d t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o do f s e r c o n 8 1 6i n i t i a l i z a t i o np a r a m e t e r t h ei n i t i a l i z a t i o np r o c e s so ft h es e r c o si n t e r f a c e ，i n c l u d i n gt h ep h a s ec h a n g e ， t h es t o r a g ef o r ma n dt h er e a d - w r i t ep r o c e s so fi d np a r a m e t e r , t h em e c h a n i s mo f p r o c e d u r ec o m m a n d sc a r r y i n go u lt h ed a t at r a n s f e rm e c h a n i s mo fs e r v i c ec h a n n e l a n dp e r i o d i cd a t ac h a n n e la n ds oo n ，h a sb e e nr e s e a r c h e da n dr e a l i z e d t h ep a p e rh a sa l s or e v i e w e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h es t r u c t u r eo ft h ec a nb u s ， a n dr e a l i z e dt h ec o m m u n i c a t i o no fs e r c o si n t e r f a c ec a r da n dt h es e l w od r i v e rb a s e d o n t h ec a nb u s f i n a l l y ，t h es e r c o s i n t e r f a c ec a r dt e s ts y s t e mb a s e do nt h ec o d e s y sh a sb e e n b u i l t t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h es e r c o si n t e r f a c ec a r dc a l lc o m p l e t et h e s e r c o si n t e r f a c eb a s i cc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n k e r n o r d s s h a f f l e s sd r i v e rm o t i o nc o n t r o lb u s ：s e r c o s , c a n ：d s p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期：幽：竺：驾 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蔓控导师签名： 第1 章绪论 1 1 课题来源 “印刷设备的无轴传动系统研究”是北京市科学技术委员会2 0 0 5 年度科技计 划重大项目嚏字化印刷技术及设备”的子课题之一，课题要求采用s e r c o s 等 高速现场总线作为通信平台，应包含带高速现场总线接口的伺服驱动器与i o 单 元、带高分辨率编码器的伺服电机，无轴传动控制器的硬件系统，无轴传动专用 的运动控制器( m c ) 和可编程逻辑控制器( p l c ) 软件等。本课题“无轴传动系统运 动控制总线的研究”是这子课题的重要组成部分。 1 2 无轴传动系统运动控制总线简介 1 2 1 无轴传动技术概述 无轴传动技术是基于伺服驱动技术和总线技术而发展起来的一项新的技术。 它取代了传统的机械传动系统中的主电动机和主轴部件而代之以通过总线来控 制多个电动机达到使各对应机组或轴符合一定的传动关系运动之目的。有人认 为：无轴传动技术就是用交流电机驱动的( 虚拟的) 电子轴线取代传统、复杂的 机械传动轴，也简称为无齿轮传动技术。但更多的人把无轴传动技术称为伺服传 动技术。目前，无轴传动技术在许多领域得到了广泛应用。但是最为成功和最为 广泛的应用还是在印刷行业( 见图i ) 。自1 9 9 4 年首次将无轴传动技术引进印刷 领域后，这项技术便以其卓越的优势在这一领域得到了飞速的发展。 无轴传动技术具有以下优势： 1 ) 无轴传动技术是一种开放式结构 无轴传动不需要通过高精度的齿轮箱传递力矩，也不需要齿轮箱的润滑系 统，不会出现由于机械制造安装不准确产生的一些问题，减少了设备运转时的噪 音，提高了能耗效率，可以更好的利用空间。目前无轴传动技术大多采用了符合 国际数字传动接口标准的串行实时通信系统，通过无噪音光纤电缆同步协调每个 传动装置，大大简化了人员培训、生产管理和设备维护。 2 ) 拥有极高的同步协调性 每个驱动单元光电信号的获取及传输，都是通过无噪音光纤电缆来完成的， 不再使用主轴及齿轮箱传递力矩。驱动单元的同步协调性的提高，为调节速度提 供了很大的方便。 3 ) 最大限度的降低成本 对于设备的制造商来说，无轴驱动设备的概念首先意味着开发、生产和运行 成本的降低。由于驱动系统交流伺服电机具有极其灵敏的动态响应特性及其数字 化的调节机构，只要改变参数就可以适应不同活件的生产要求；而传统机械传动 幽1 - 1s e r c o s 总线用于无轴传动系统 f i g u r el - ! s e r c o si ns h a f t l e s sd r i v es y s t e m 设备则需要改变机械结构，以适应不同活件的生产要求。这样既减少机械的加工 成本，也更大限度的减少了由于改变这些结构所需要的非生产性准备时间。电子 轴的应用使用户只要输入一个参数值，数字化的控制系统就能够保证准确的重复 再版，从而降低了废品率，降低了成本。 4 ) 灵活性 无轴传动技术可以使您对现有的设备加以扩展，大大提高了设备的可用性， 同时由于模块化的设计单元，可以对设备进行理想的组合，既降低了你的采购成 本，又节约了宝贵的资源。传动机构的减少，使操作者更易接近，操作、维修更 方便灵活。 5 ) 远距离的技术支持 伴随着计算机技术和网络技术的广泛应用，缩短了企业与企业间的距离，使 设备的远程诊断和技术服务成为可能。而无轴传动印刷机数字化控制系统的应 用，又使这种可能变成现实。无论在地球上的任何一个角落，只要告知无轴传动 印刷机生产企业，几乎在你机器出现问题的同时，无轴印刷机制造商就可以为用 户进行技术服务，从而可以最大限度的减少停机时间。【2 】 1 2 2 现场总线概述 随着3 c ( c o m p u t e r , c o m u n a c a t i o n , c o n t r 0 1 ) 技术的发展， 2 0 世纪8 0 年代末， 在工业控制领域出现了现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，这标 志着现场总线技术的诞生。现场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的数 字式、全分散、双向传输和多分支结构的通讯网络。它的出现，为解决伺服接口 问题提供了新思路和新方法。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该 领域的发展产生重要的影响。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设 备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信 的底层控制网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它 们各自有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总 线，把多个测量控制仪表连成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现 场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数 据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，是把单 个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相 互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线给自动化领域 带来的变化，犹如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用 发生的变化一样。现场总线使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网 络系统，加入到信息网络的行列。因此，把现场总线技术说成是一个控制技术新 时代的开始并不过分。【1 9 】 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化方向的发展， 一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总线 的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统( d c s ) 、可编程控制器( p l c ) 在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革。 目前，在国际上具有较大影响的现场总线主要有以下几种： 1 ) c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网络) 由最早德国b o s c h 公司 提出，1 9 9 3 年i s o 正式国际标准i s 0 1 1 8 9 8c a n 高速应用标准。它是一种具有 高可靠性，支持分布式控制、实时控制的多主数据总线，适用于对实时性要求较 高的小型网络。c a n 总线的传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。节点数可 达l l o 个，传输速率为5 k b i t s 1 m b i t s 。它成本低，开发容易，是最早进入我国的 现场总线。 2 ) p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 总线由德国s i e m e n s 公司于1 9 8 7 年推出，是德国d i n l 9 2 4 5 国家标准 e n 5 0 1 7 0 欧洲标准和i e c 6 1 1 5 8 国际标准，由p r o f i b n s d p 、p r o f i b u s p a 、 p r o f i b u s f m s = 个兼容部分组成。由于p r o f i b u s f m s 主要用于车间级大范围和复 杂的通信任务，以及p r o f l b u s p a 主要用于过程自动化，因此在这里只考虑 北京工业大学工学硕士学位论文 p r o f i b u s d p 。p r o f i b u s d p 是专门为中央自动控制系统与设备级分散的i 0 之间通信 设计的，主要用于设备级的高速数据传送。p r o f i b u s d p 采用主一从方式进行工作， 当系统运行时，主站按顺序访问每一个从站。在一个系统中可能有多个主站，多 个主站间通过令牌传递方式来分配系统。p r o f i b u s d p 的传输介质可以是双绞线或 光纤，传输速率可达9 6 k b i t s 1 2 m b i t s 。 3 ) f f 总线 f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ，基金会总线) 由1 9 9 4 年i s p 基金会和w o r l d f i p ( 北 美) 两大集团合并成立的f f 基金会推出。分为低速标准h 1 和高速标准h 2 两种标 准。后来又推出高速以太网h s e 。f f 在过程自动化领域优势明显，但开发费用昂 贵、技术复杂，在国内应用水平不高。 4 ) i n t e r b u s s 总线 i n t e r b u s sl h 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司8 0 年代推出，是德国d i n l 9 2 5 8 国家标 准、e n 5 0 2 5 4 欧洲标准和i e c 6 11 5 8 国际标准。i n t e r b u s s 总线定位较低，其协议较 为简单，帧较短，数据传输无仲裁。i n t e r b u s s 的传输介质可以是双绞线或光纤， 节点数可达2 5 6 个，传输速率为5 0 0 k b i t s 。作为一种传感器执行器层次的现场总 线，它在制造业和机器加工行业得到了较多的应用。 5 ) s e r c o s 总线 s e r c o s ( s e r i a lr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 总线由德国机床协会和德 国电力电子协会于1 9 8 7 年联合推出，1 9 9 5 年成为国际标准i e c 6 1 4 9 1 。s e r c o s 总 线为采用光纤作为传输介质，分主站和从站，主站与从站连成环状。一个光纤环 中，可连接的从站数多达2 5 4 个。它的传输速率为2 m b i t s 、4 m b i t s 、8 mb i t s 或 1 6 m b i t s ，与所用的控制芯片有关。虽然s e r c o s 总线开始是为c n c 与数字伺服 接口而开发，但迄今已被广泛应用于通用运动控制器与数字伺服之间的接口。 1 2 3 运动控制总线的要求及选择 选择的运动控制总线应符合下列要求： 1 ) 具有高度的实时性，能满足无轴传动系统同步性的要求； 2 ) 具有开放性，该成果运用于生产时不会受到国外技术专利保护方面的困 扰： 3 ) 具有前瞻性，该总线应有较好的发展前景。在国际范围内有广泛的接受 度。 无轴传动技术这一技术的实现在很大程度上依赖于具有高度实时控制能力 的运动控制总线。虽然c a n 、p r o f i b u s 、f f ，i n t e r b l l s s 等总线都可以作为运动 控制总线，但这几种总线要么实时性、带宽达不到要求，要么开发或应用成本太 高而不能在无轴传动这一领域得到广泛的应用。而s e r c o s 总线则以其开放性、 高实时性等优点在无轴传动领域占有了不可替代的重要地位。成为当今无轴印刷 机运动控制总线的首选。 1 2 4 国内外研究及应用现状 较高的实时性保证了s e r c o s 总线接口优良的同步机制，这使得s e r c o s 总 线在对于同步性要求较高的数控设备、印刷机、食品包装机、装配机器人及纺织 机的领域受到格外的青睐。1 9 9 4 年，德国力士乐( r e x r o t h ) 公司首次将s e r c o s 总线作为运动控制总线用于无轴印刷机。公司在1 9 9 9 年就占据北美伺服驱动市场 1 0 5 的份额、位居第一位。至2 0 0 4 年6 月，力士乐已在2 0 0 0 多台印刷机中采用了 无轴传动技术。成为世界上最为成功的将无轴传动技术应用在印刷机和纸张加工 机的供应商之一。日本高斯公司生产的n e w s l i n e r 印刷机采用了德国r o x r o t h i n d r a m a 公司生产的无轴传动系统达到极高的印刷速度，每小时可达1 5 万份。瑞 士维发( w i f a g ) 公司生产的3 7 0 高速多色无轴印刷机就是采用s e r c o s 总线技 术实现了8 个印刷辊之间的无轴同步传动和5 个印刷装置之间的协调控制，不仅节 省了系统连线，而且极大的提高了系统精度。 我国在2 0 世纪8 0 年代初期通过引进、消化、吸收国外技术，又在国家“七 五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关，取得了很大 成果。但迄今为止，我国还没有出现带s e r c o s 总线接口的数字伺服驱动器产 品。这也直接导致了我国在无轴传动技术方面处于较为落后的局面。目前国内许 多高档印刷机要么整套引进、要么在无轴传动方面依赖进口。过去几年我国在基 于s o s 总线运动控制系统方面的研究取得了一定的成果。例如，清华大学 计算机技术应用系王文新、孙发杰等将s e r c o s 总线技术用于标准化机器人控 制器。北京航天航空大学机械工程及自动化学院的郇极等开发的基于s e r c 0 s 总线技术c h 2 0 1 0 s 数控系统。我们学院的康存锋、陈卫福等人也开发了基于 s e r c o s 总线的开放式数控系统。但是到目前为止，我国在s e r c o s 总线方面 的研究和应用还都局限于直接购买国外的s e r c o s 主站卡和s e r c o s 总线接口 伺服驱动器及在此基础之上的二次开发和应用。因此，加强这方面的研究与开发 非常必要。 1 3 本课题研究的意义 从现实意义上来说，由于本课题属于北京市科学技术委员会2 0 0 5 年度科技 计划重大项目( 数字化印刷技术及设备) 的子课题之一“印刷设备的无轴传动系统 研究”，所以运动控制总线的研究作为这一子课题的重要部分对这一重大项目的 圆满完成起着十分重要的作用。它可以为促进北京地区的印刷行业向数字化方向 发展，提升北京地区印刷设备制造行业的科技水平，使北京印刷机械制造行业具 备数字化印刷设备的研发、制造能力并逐步形成数字化印刷设备的产业规模提供 较为重要的应用技术基础。 北京工业大学工学硕士学位论文 从我国民族工业的长远发展来看，我们只有开发出具有自主知识产权的 s e r c o s 总线接口模块并应用于我国生产的无轴传动及其他伺服驱动系统中，才 能使我国印刷及数控行业逐步摆脱长期依赖进口的被动局面。对于提升我国民族 工业在运动控制总线方面的技术水平缩短与欧美发达国家之间的差距起到积极 的促进作用。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题根据无轴传动系统的要求，结合国内外无轴传动领域的发展状况，在 现有的国际上比较流行的现场总线中选择一种适合作为无轴传动系统运动控制 总线的总线作为研究对象。并在对该总线进行深入研究的基础上，设计出嵌入式 或外置式运动控制总线接口设备。基于国内现有的具有c a n 总线接口伺服驱动器 的现实条件，设计了采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制的s e r c o s 总线从站接口卡。此卡通 过c a n 总线接口与现有伺服驱动器连接起来，并通过s e r c o s 总线与运动控制器 或p l c 一起实现了无轴传动运动控制系统。本文介绍了s e r c o s 总线从站接口卡 的设计过程。详细说明t s e r c o s 总线从站接口卡的硬件结构、软件结构及主要 程序流程。 基于课题的主要工作，本文的内容安排如下： 1 ) 介绍论文的主要工作及内容安排，介绍了无轴传动技术和现场总线技术 的发展与应用状况，讨论了无轴传动系统运动控制总线的要求及选择原 则。指出的我国在这方面与国外的差距，指出了我们在下一步的主要工 作方向与重点。 2 ) 对s e r c o s 接口协议进行详细阐述，介绍了s e r c o s 总线接口的工作原 理、报文结构、i d n 设计结构等，还对s e r c o s 接口的过程命令传送机 制、诊断机制、服务通道传送机制进行了剖析。 3 ) 设计出符合s e r c o s 协议标准的从站接口卡。硬件部分主要包括 s e r c o s 接口部分、c a n 总线接口部分及其他通信、储存和显示电路等。 软件部分主要编写底层驱动代码，包括s e r c o n 8 1 6 的初始化、服务通 道数据处理、通信阶段的切换等。 4 ) 对测试系统进行介绍，并应用此测试系统对所设计的s e r c o s 接口卡进 行仿真测试。 5 ) 最后，对全文进行了总结，就s e r c o s 接口总线的进一步应用提出自己 的看法。 第2 章s e r c o s 接口技术 2 1s e r c o s 接口工作原理 s e r c o s 接口通过光缆环在控制器和驱动器之间传递信息，保证了s e r c o s 通信系统在恶劣的工业环境下能够正常可靠地工作。每个光缆环上驱动器数目最 多可达2 5 5 个。s e r c o s 接口控制器根据需要可以接上一个或多个环结构( 见图 2 1 ) 。这些特点使得s e r c o s 接口在应用配置上具有了极大的灵活性和适应性。 图2 - 1s e r c o s 接口拓扑 f i g u r e2 - 1s e r c o si n t e r f a c et o p o l o g y s e r c o s 接口规范使控制器和驱动器间数据交换的格式及比例缩放因子标 准化。在初始化阶段，接口的操作根据控制器和驱动器的性能特点来具体确定。 所以，控制器和驱动器都可以执行速度和或位置控制。灵活的数据格式使得 s e r c o s 接口能用于多种控制结构和操作模式。 控制器可以通过指令值和反馈值的周期性数据交换来达到与环上所有驱动 器精确同步，其通信周期可在6 2 u s 、1 2 5 u s 、2 5 0 u s 及2 5 0 u s 得整倍数间进行选择。 在s e r c o s 接口中，控制器与驱动器之间的数据传送分为周期性数据传送和 非周期性数据传送( 服务通道数据传送) 两种。周期性数据交换主要用于传送指 令值和反馈值，在每个通信周期数据传送一次。非周期数据传送则是用于在控制 器和驱动器间传送配置参数、状态信息及指令信息等一些非实时性数据，具有较 大得灵活性。在非周期性数据传送方式下，一条信息有可能需要多个通信周期才 能完成。 2 2 报文结构 在s e r c o s 接口中数据得传送都是以报文得形式来进行，报文分为三种：主 控同步报文( m s t ) 、主控数据报文( m d t ) 、驱动器报文( a t ) 。主控同步报文 由主站发往全部从站，起到同步所有驱动器的作用。主控数据报文也是由主站发 往全部从站，用于控制器向驱动器传递信息。而驱动器报文则是由从站发往主站， 用于驱动器向控制器传递信息。 报文结构如表2 - 1 所示 表2 - 1 报文结构 t a b l e2 - 1t e l e g r a ms t r u e t u r 管理段用户应用数据管理段 报文分界符地址域数据域(帧检查序列域报文分界符 ( b o f )( a d r )( f c s )( e o f ) 0 1 1 1 1 1 1 0 8 位n x 8 位( n = l ，1 6 位 o l l l l l l o 1 报文分界符 报文分界符“0 1 1 1 1 1 1 0 ”是每条报文地开始和结束标志。 2 地址域 地址域标识数据站的地址。其中，地址0 表示无站地址，地址2 5 5 为广播地 址。驱动器地址“x x ”则要满足：0x x2 5 4 。 3 数据域 数据域包含报文所要传送的信息。 2 2 1 主控同步报文( m s t ) 主控同步报文( m s t ) 只包含一个字节的信息，表示s e r c o s 接口的当前通 信阶段( 见图2 2 ) 。 图2 - 2 主控同步报文( m s t ) f i g u r e2 - 2m a s t e rs y n c h r o n i z a t i o nt e l e g r a m 2 2 2 主控数据报文( m d t ) 主控数据报文由主站发出，地址域为o ，为广播报文，所有与主站连接的驱 动器都接收此报文。主控数据报文的结构见图2 3 。主控数据报文的数据域由一 个或多个数据记录组成。每个数据记录对应一个驱动器，由固定部分和可配置 部分构成。固定部分包含一个控制字和一个服务信息域，主要完成服务通道信息 传送功能。可配置部分则完成周期性数据传送，其内容可以是2 或4 字节长。这 部分数据类型由i d n 0 0 0 1 5 来定义，对于应用报文其内部结构由i d n 0 0 0 2 4 来定 - 8 义。 卜 _ l 致据记录l粒垢i 己录k曲r 广播 驱动基地址x 驱动器蝗址x 缝篓萋! ? 艘! 垫黧 l 。控孵- l l 潞l 。 蜘器瑚舴麟 l 雾一 ：写? - 一 。赢张操作数据操作数据撮作数据 图2 - 3 主控数据报文( m d t ) f i g u r e2 - 3m a s t e rd a t at e l e g r a m 2 2 3 驱动器报文( a t ) 驱动器报文( 见图2 - 4 ) 只有一个数据记录。和m d t 类似，数据记录也是由 i - 砷f _l 数据记录 未。 r li 驱动墨x x驱动嚣x 驱动器的数据记录- f 一陋 - 驱动嚣x 的摄作歉据 1 驱动盘叠瞄。 。7 一 辨i 辫i i i 作娃 。赫珏赢张 功- i d t ” 图2 - 4 驱动器报文( a t ) f i g u r e2 - 4a x i st e l e g r a m 固定部分和可配置部分组成。数据记录的固定部分包含一个状态字和一个2 或4 字节的驱动器服务信息域。状态字将当前驱动器的运行状态及时传送至主站。服 务信息域作为驱动器到主站的非周期数据交换的容器。数据记录的可配置部分用 于驱动器向主站传送周期性操作数据。数据类型由i d n 0 0 0 1 5 来定义。对于应用 报文，可配置部分的结构由i d n 0 0 0 1 6 定义。 2 3i d n 数据结构 s e r c o s 接口所有的参数均以i d n 的形式来存放和传输。每一个i d n 有一 个基本的数据块。数据块用来为不同的数据类型提供附加信息，这些信息借助于 控制终端，来区分哪些数据用于显示，哪些数据用于输入，哪些数据用于通用程 序。 每个数据块中包含有7 个元素( 见表2 2 ) 。其中元素1 、元素3 、元素7 是必 须遵循并总是存在的，而其他元素则是可选的。数据块的相应元素由服务通道中 控制字的相应位来选择。 表2 - 2 i d n 数据结构 t a b l e2 2i d nd a ms t m c t u r e 元素功能数据长度 l 操作散据标识号：字节 2操作数据名称最大“字节 3操作数据属性4 字节 4 操作数据单位最大1 6 字节 5 操作数据最小值 与属性有关 6 操作数据最大值与属性有关 操作数据值：4 字节或变长度最大6 5 5 3 2 字节 2 4 过程命令传送机制 过程命令是用来激活驱动器内的函数过程或者控制器和驱动器间的函数过 程来实现各种特定的轴功能。过程命令通过s e r c o s 接口的服务通道来进行传 送，是一种特殊类型的非周期数据。不同于一般的非周期数据的是，一个过程命 令可能占用较多的时间，在它启动和完成之间的时间段内，服务通道还可以传送 其他的非周期数据。 过程命令的控制是由主站通过数据块元素7 向驱动器发出指令来实现的。过 程命令位定义如表2 3 所示。 驱动器在接到过程命令后，通过服务通道状态字中的“握手”位与“忙标志”位 来应答主站发送的过程命令，通过服务通道信息字向主站发送过程命令的确认信 息。其位定义如表2 4 所示。 第2 章s e r c o s 接口技术 表2 - 3 过程命令控制字 t a b l e2 - 3p r o c e d u r ec o m m a n d se o n t r o lw o r d 位 5 0保留 0 “中断”过程命令 位l 1 “使能”过程命令 0 “取消”过程命令 位0 1 “设置”过程命令 表2 4 过程命令状态字 t a b l e2 - 4p r o c e d u r ec o m m a n d ss t a t ew o r d 位5 - 9保留 o 操作数据有效 位8 1 操作数据无效 位7 - 4 保留 0 过程命令执行无误 位3 1 过程命令执行有误 o 过程命令执行未完 位2 1 过程命令执行完毕 o 过程命令执行中断 位1 l 过程命令执行使能 0 过程命令未设置 位0 l过程命令已设置 2 5s e r c o s 接口的特性 s e r c o s 总线接口相比于其他现场总线具有以下特性： 1 ) 基于时间槽机制的无冲突数据传输和高效的s e r c o s 接1 2 1 通信协议，保 证了较高性能和尽可能最好的解决方案。在l m s 周期内可同步轴数多 达4 0 轴，抖动量小于l u s 。 2 ) 是当今唯一的开放式、数字化、国际标准化的运动控制总线。 3 ) 它不仅是一个实时通信系统，而且提供超过4 0 0 个标准化的参数来描述 驱动器和控制器的相互作用，而这些参数不依赖于任何制造商。它也使 得把i o 接口和总线连接起来交得相当容易。 4 ) 采用光纤作为通信媒介，抗电磁干扰能力强。在恶劣的环境条件下，仍 然有较为出色的表现。 5 ) i g s ( i n t e r e s t sg r o u ps e r c o s ) 2 0 0 4 年颁布了s e r c o s - - i i i 白皮书。下 北京- 业大学工学硕士学位论文 一代s e r c o s 接口将和以太网技术结合起来。它能够实现从站之间的通 信，同时它使用双路的环形结构环上任一点的断裂将不影响通信的正常 进行。 这些特性使得s e r c o s 总线接口成为了对于同步性、可靠性、开放性要求都 比较高的无轴传动系统运动控制总线的不二选择。 2 6 本章小节 本章对s e r c o s 接口技术进行了详细的阐述： 1 ) 对s e r c o s 接口的工作原理进行了简要的介绍。包括s e r c o s 接口的拓 扑及s e r c o s 接口的数据传送方式。 2 ) 详细分析了s e r c o s 接口的报文结构。对主控同步报文( m s t ) 、主控 数据报文( m d t ) 及驱动器报文( a t ) 三种报文的结构和内容进行了仔 细的描述。 3 ) 介绍了操作数据的组织和存放形式。对数据块中每一个元素的功能、特 性及占用空间长度等作了说明。 4 ) 阐述了s e r c o s 接口过程命令的传送机制。还对过程命令的执行过程、 过程命令的控制和过程命令的确认进行了介绍。 5 1 对s e r c o s 接口的特性进行了总结和归纳，提出了s e r c o s 接口作为无 轴传动系统运动控制总线的优势和依据。 对s e r c o s 接口技术的深刻分析和理解是设计出完全符合s e r c o s 接口协 议的接口卡的重要基础和必备条件，是完成本课题的关键环节。 第3 章基于d s p 的s e r c o s 从站接口卡的硬件设计 第3 章s e r c o s 接口卡的硬件设计 在上一章对s e r c o s 接口技术作了简要的叙述和了解，本章将着重于阐述 与课题相关问题的解决及需求功能的实现。结合本课题的任务和要求，本章详细 描述硬件系统的设计思路及过程，并对一些关键芯片做了较为详尽的介绍。 3 1 硬件系统设计 3 1 1 总体设计 s e r c o s 从站接口卡选用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为微处理器。它是美国t i 公司最 新推出的专门用于电机及运动控制领域的3 2 位高速定点d s p 。系统处理速度达 1 5 0 m i p s 。这与s e r c o s 总线较高的同步精度( 高达l u s 左右) 和高度实时性的 特点是相适应的。目前在国内生产的具有数字接口的伺服驱动器还为数不多且多 为低速总线，如c a n 总线。所以为了适应这一现实，此卡采用s e r c o s 总线与 上位机通信，采用c a n 总线与具有c a n 总线接口的伺服驱动器进行通信这一 方案( 见图3 1 ) 。在此方案中，s e r c o s 接口卡通过同步控制信号来保证伺服 驱动器与s e r c o s 接口卡的精确同步，进而实现了控制系统中各个伺服驱动器 节点与主控节点的同步运行。 图3 - 1s e r c o s 通信系统方案 f i g u r e3 - 1s e r c o sc o m m u n i c a t es y s t e ms c h e m e s e r c o s 接口卡的硬件系统框图见图3 2 。 s e r c o s 接口控制器选用s e r c o n 8 1 6 。它是第二代s e r c o s 接口控制芯片。 提供最高达1 6 m 波特率的实时通信速率。本卡采用i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 外部扩展了 2 5 6 k x l 6 的s r a m 来满足s e r c o s 接口中大量i d n 数据对内存的需求，在f 2 8 1 2 2 嚣券6il 总线隔离怒刮s e r n 8 1 6 数据、地址总线 串行 e e p r o r t m s 3 2 0 f 2 8 12 c 崤o 。_ c l q 燃头 l 控制时钟l i 差分输出i 一 纠c 黼l 3 ( 向下取整) 为了提高精度减小误差还要计算出主时钟初始值： m c l k s l 与( t c n t s t xl u s t s r a r t ) x f m c l k = 4 ，4 8 - 4 在计时器( t c n t ) 到达通信周期时间时的前后一段时间内 ( t s c y c 0l + j t s c y c l t s c y c 0l + j i s c y c 2 ) s e r c o s 接口监视m s t ( 主 站同步报文) 到来。通信周期的最小偏差j t s c y c l 与最大偏差j t s c y c 2 与通 信周期的允许误差盯s c y c 有关。通信周期的允许误差j t s c v c 根据s e r c o s 标准 可以求出： j t k v r - n n i n 5 u s ；0 0 0 5 t s c y c + 4 x t b i l = 7 u s 则通信周期的最小偏差为： j t s c y c l i r ( 强i t s t - j t s c y c l u s = 4 通信周期的最大偏差为： j t s c y c i = t c n t s t + j t s c y c l u s = 1 0 s e r c o s 从站在接收到m s t ( 主站伺步撤交) 后的某一时问之后才能发送自己 的a t ( 驱动器报文) 。为了让主站计算出每个驱动器报文的发送时间，从站必须 给出自己的最小发送时问： t n i n a t = ( t c n t s t