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現(xiàn)場總線運動控制模塊的設計及其在PLC系統(tǒng)中的應用

星之球激光 來源:電子技術應用2011-10-17 我要評論(0 )   

數(shù)控系統(tǒng)廣泛應用于現(xiàn)代制造加工業(yè)、機器人、電子機械、辦公設備等,是21世紀最有發(fā)展前景的技術之一。本文使用2個Cortex-M3內(nèi)核單片機STM32進行G代碼解釋和電機運動控...

數(shù)控系統(tǒng)廣泛應用于現(xiàn)代制造加工業(yè)、機器人、電子機械、辦公設備等,是21世紀最有發(fā)展前景的技術之一。本文使用2個Cortex-M3內(nèi)核單片機STM32進行G代碼解釋和電機運動控制,研發(fā)了極低成本的運動控制模塊,并通過PLC現(xiàn)場總線對多塊運動控制模塊進行全局管理控制,形成高效可靠的機床控制網(wǎng)絡。
1 運動控制模塊的研制
  本設計中,運動控制模塊負責電機的驅(qū)動、多軸聯(lián)動、G代碼解釋等工作,是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”。因此運動控制器的性能直接關系到整個機床的性能。
1.1 總體結(jié)構
  為實現(xiàn)高性能數(shù)控計算,系統(tǒng)采用雙MCU結(jié)構,主控MCU負責G代碼讀寫與解釋、人機界面、網(wǎng)絡通信等任務;NC運動控制MCU(即運動控制芯片)作為一個專用數(shù)字芯片,負責三軸電機的速度控制、定位、多軸直線和圓弧插補等任務,以保證運動控制模塊在完成復雜的工作時仍能提供良好的性能。運動控制模塊結(jié)構如圖1所示。


  模塊采用SD卡作為G代碼文件的存儲器。SD卡具有大容量、小體積、支持熱插拔等特點,尤其是其兼容SPI總線讀寫,省去了主控制器作為USB盤讀寫的硬件,降低了成本。
  運動控制模塊具有現(xiàn)場總線通信功能,支持RS-485和CAN總線2種現(xiàn)場總線物理層規(guī)范。以可靠性為設計原則,總線接口與主控制器進行了電氣隔離,并加入保護元件提高其抗瞬態(tài)干擾能力。圖2、圖3分別是模塊RS-485和CAN總線的隔離接口原理圖。其中使用了TI公司的高速數(shù)字隔離器ISO7221進行數(shù)字信號的電氣隔離,同時在接口端設置了瞬態(tài)抑制二極管(TVS管)進行保護,確保了硬件在各種環(huán)境下的可靠性。


1.2 Cortex-M3與STM32簡介
  ARM Cortex-M3是一種基于ARM7架構的最新ARM嵌入式內(nèi)核,它采用哈佛結(jié)構,使用分離的指令和數(shù)據(jù)總線(馮諾伊曼結(jié)構下,數(shù)據(jù)和指令共用1條總線),在成本和功耗方面,Cortex-M3具有相當好的性能。
  基于Cortex-M3核的STM32F103系列MCU,運行于最高72 MHz的總線頻率,可以獲得1.25 DMIPS/MHz的運算性能、單周期乘法指令、硬件除法器,帶有容量至少為32 KB的Flash及6 KB的SRAM、2個12位A/D、7通道DMA、6路16位定時器及PWM、SPI、I2C、USART、USB、CAN等高性能模塊,并具有最高18 MHz輸出頻率的高速GPIO。在電機和運動控制的應用中,可以充分發(fā)揮其先進內(nèi)核的性能和豐富的模塊資源特性。
1.3 工作流程
  運動控制器工作流程總體示意圖如圖4所示。

1.3.1 G代碼解碼
  運動控制模塊接收到工作指令后,開始進行G代碼的解釋執(zhí)行任務。G代碼存放在SD卡中,主控制器集成FAT文件系統(tǒng),支持SD卡的文件讀寫。G代碼讀入后,逐行進行第一遍掃描(即指令預處理),期間將注釋、空格、非法字符去除,小寫字符轉(zhuǎn)換成大寫,以方便解碼程序進行識別。
經(jīng)過預處理的G代碼指令逐行送入G代碼解碼程序,解釋程序再逐字檢查其是否為G代碼的指令字符,若是,則提取關鍵字的后續(xù)數(shù)值,作為該指令的操作數(shù),將其提取出來。其中用到了ANSI C的標準庫函數(shù)sscanf( )(位于stdio.h中),可以方便地提取字符串中指定的信息,支持類正則表達式的格式字符串,非常靈活。同時因為使用了ANSI C的標準庫函數(shù),程序移植簡單。
以下是G代碼解碼程序的部分代碼:
/*遍歷整個s字符串,找到字符后,提取后續(xù)數(shù)字,并存入中間代碼中*/

 


  其中,CurrentGMidCode是預定義的結(jié)構體變量,用于保存每行G代碼提取出來的指令及其操作數(shù),結(jié)構如下:

  提取到每行G代碼的關鍵信息后進行相關處理,計算出每行代碼的運動起止坐標,將其通過SPI總線發(fā)送至NC控制芯片,控制電機運動。
1.3.2 插補進給
  電機的插補運算、加減速和進給控制,由一個獨立STM32微控制器完成,并稱為NC運動控制芯片。
  目前市場上的運動控制芯片主要是日本和歐美公司的專用ASIC和各數(shù)控廠家自行開發(fā)的FPGA芯片,雖然性能優(yōu)越,但價格不低。相對于使用ASIC芯片或FPGA芯片,完成同樣的任務使用MCU方案,硬件生產(chǎn)成本和開發(fā)成本均具有明顯優(yōu)勢,當STM32微控制器運行在其最高頻率為72 MHz下時,性能完全可以滿足中低端數(shù)控系統(tǒng)應用的要求。
  在三軸數(shù)控銑系統(tǒng)中,NC運動控制芯片需要實現(xiàn)三軸快速定位、二軸直線插補、二軸圓弧插補、三軸直線插補的功能。
  插補是在組成軌跡的直線段或曲線段的起點和終點之間,按一定的算法進行數(shù)據(jù)點的密化工作,以確定一些中間點,從而為軌跡控制的每一步提供逼近目標。在本控制器中,選用逐點比較法作為基本的插補算法,具有算法簡單高效、進給速度均勻的特點,同時支持三軸的直線插補[1],滿足本控制器對插補算法的要求。
  逐點比較直線插補,就是執(zhí)行機構每走一步都要和給定運動軌跡上相應的坐標值相比較,比較的結(jié)果稱為偏差函數(shù)F,根據(jù)偏差的正、負決定下一步的進給方向。實質(zhì)上這是一種用階梯折線來逼近直線的一種算法,它與規(guī)定運動軌跡之間的最大誤差為1個脈沖當量(每走1步移動的距離)。因此,只要把脈沖當量設計得足夠小,就可以達到運動精度的要求[2]。
1.4 Modbus-RTU協(xié)議的實現(xiàn)
  Modbus-RTU是Modicon公司開發(fā)的一種通信協(xié)議。它采用主從應答方式工作,其規(guī)范已公布在互聯(lián)網(wǎng)上,是一種在工業(yè)領域被廣為應用的真正開放的標準網(wǎng)絡通信協(xié)議。由于它具有免收許可費用,易于集成不同的設備、簡單易用、開發(fā)成本低、有著廣泛的知識資源支持等特點,已經(jīng)成為一種公認的通用工業(yè)標準。有了這個標準,不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡,進行集中監(jiān)控。Modbus PTU協(xié)議有2種傳輸模式:RTU模式和ASCII模式。其中RTU模式信息幀中的8 bit數(shù)據(jù)包括2個4 bit十六進制字符,相對于ASCII模式,RTU模式表達相同的信息需要較少的位數(shù),且在相同通信速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量。因此通常情況下,一般工業(yè)智能儀器儀表都是采用RTU模式的Modbus規(guī)約。
  Modbus-RTU協(xié)議以幀為通信的基本單位,幀格式為:地址碼1 B;功能碼1 B;數(shù)據(jù)區(qū)N B;錯誤校驗2 B CRC碼。
  本運動控制器在其RS-485接口上實現(xiàn)了Modbus-RTU協(xié)議,使用了當今流行的免費開源協(xié)議棧FreeModbus-RTU,從而保證了可靠的通信、節(jié)約了開發(fā)成本。
  FreeModbus是針對通用的Modbus協(xié)議棧在嵌入式系統(tǒng)中應用的實現(xiàn),其遵循BSD開放源代碼協(xié)議,并可以免費用于商業(yè)用途,成熟可靠。移植FreeModbus到STM32處理器只需要少量資源,除了1個雙工USART外,只需要配置1個定時器進行超時判斷即可。#p#分頁標題#e#
2 基于C200HE型PLC的運動控制網(wǎng)絡實驗平臺設計
2.1網(wǎng)絡結(jié)構
  歐姆龍(OMRON)公司的C200HE-CPU42型PLC帶有RS-232口和通信板。通信板支持各種通信協(xié)議,如上位鏈接、RS-232通信、1:1鏈接、NT鏈接(1:1、1:N)以及協(xié)議宏功能等,并能根據(jù)需要進行切換。通過協(xié)議宏功能,用PMCR指令,通過指定按標準設置的順序,就能設置成Modbus協(xié)議。
  運動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構體系分為3個層次:管理層、控制層和器件層,如圖5所示。

 


  (1) 管理層:是最高層,負責系統(tǒng)的管理與決策。其中PLC是整個控制網(wǎng)絡的核心,它作為Modbus網(wǎng)絡的主設備,通過Modbus網(wǎng)絡與各運動控制器之間傳輸生產(chǎn)管理信息、質(zhì)量管理信息及CNC的運行情況等數(shù)據(jù)。上位計算機運行組態(tài)軟件,通過RS-232串行通信口與PLC通信,實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行。
  (2) 控制層:是整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的中間層,各運動控制模塊掛接在Modbus網(wǎng)絡上成為其從節(jié)點,負責下面CNC運行過程的監(jiān)控、協(xié)調(diào)和優(yōu)化。
  (3) 器件層:雕刻機是整個網(wǎng)絡的最低層,是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中直接面對現(xiàn)場的器件和設備,為網(wǎng)絡的終端執(zhí)行機構。
2.2 用協(xié)議宏功能實現(xiàn)Modbus協(xié)議
  在協(xié)議宏軟件CX-Protocol上創(chuàng)建工程,選擇正確的設備名稱、型號及網(wǎng)絡類型。然后創(chuàng)建通信序列和接收序列,并下載到PLC通信板中。在PLC中編寫程序,用PMCR指令調(diào)用指定的通信序列,實現(xiàn)與運動控制模塊的通信。通信協(xié)議宏主要由發(fā)送/接收數(shù)據(jù)程序構成,每個通信協(xié)議最多包含0~999個發(fā)送/接收數(shù)據(jù)程序,每個發(fā)送/接收程序最多由16步構成。協(xié)議宏結(jié)構如圖6所示[3]。


2.2.1創(chuàng)建通信序列
  將通信序列號設為“000”,在通信序列中要設置PLC與通信板鏈接字、傳輸控制參數(shù)、響應接收方式、數(shù)據(jù)接收監(jiān)控時間、數(shù)據(jù)接收完成監(jiān)控時間、數(shù)據(jù)發(fā)送完成監(jiān)控時間等內(nèi)容。
  (1) 創(chuàng)建通信步(Step)
  在通信序列“000”中創(chuàng)建Step00和Step01 2個通信步。Step00用于控制運動控制模塊的運行,Step01用于查詢運行狀態(tài)。在每一個通信步中包括步號(Step)、重復計數(shù)器(Repeat)、命令(Command)、重試次數(shù)(Retry)、發(fā)送信息(Send Message)、接收信息(Recv Message)、是否響應(Response)、出錯處理方式(Error)等內(nèi)容。
  (2)創(chuàng)建發(fā)送和接收信息
  發(fā)送信息與接收信息必須嚴格按照Modbus協(xié)議格式編寫,需要設置校驗碼(Check Code)、數(shù)據(jù)長度(Length)、地址(Address)和數(shù)據(jù)(Data)等信息。
  (3)創(chuàng)建接收陣列
  PLC向運動控制模塊發(fā)送指令時,模塊可能返回運行正?;蝈e誤響應信息,在接收數(shù)據(jù)時,使用陣列的形式加以區(qū)分。系統(tǒng)創(chuàng)建了2種可能接收的信息“Run Normal”和“Error”,并針對每一種情況設定不同的處理方法(Next Process),用于可能出現(xiàn)的各種響應信息的處理。
2.2.2  通信實現(xiàn)
  (1) 通信設置
  PLC的通信參數(shù)設定必須與運動控制模塊的參數(shù)一致。對通信板上的開關做調(diào)整時,設SW1置于ON側(cè),使用RS-485方式;SW2設定為ON,接入120 Ω的終端電阻;設定通信板端口A為通信協(xié)議宏方式。
  (2) 編寫通信程序
  通信協(xié)議宏的調(diào)用程序段如圖7所示,圖中:289.08為通信板端口A操作標志,當289.08為OFF時,表示可以使用端口A進行通信。通信過程中289.08置為ON,通信結(jié)束后,289.08置為OFF狀態(tài);當2.00由OFF變?yōu)镺N、且289.08為OFF時,調(diào)用通信板上的通信序列,通過端口A發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。通信序列號、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的存放區(qū)由PMCR指令的3個操作數(shù)指定,其梯形圖見圖7。


  使用2片32位高性能單片機組成雙核系統(tǒng)實現(xiàn)運動控制模塊的功能,兼顧了性能和價格。同時因為使用了ANSI C的標準庫函數(shù),程序移植性好,數(shù)控解釋程序中的關鍵技術G代碼解釋器的開發(fā)難度大大降低。在運動控制模塊中移植Modbus協(xié)議,從而使其能簡單地與PLC系統(tǒng)組成運動控制網(wǎng)絡。采用歐姆龍通信協(xié)議宏實現(xiàn)控制多臺運動控制模塊,簡化了現(xiàn)場布線,達到了設計要求,取得了很好的效果。

 

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