Powerlink在分布式伺服驱动中的应用设计

张少林，陈 冰，陈幼平

（华中科技大学，湖北 武汉 430074）

0 引言

为了实现更高速、更柔性的生产目的，传统上由机械部件完成的功能越来越多的由伺服系统完成[1]。同时，工业现场总线的广泛应用，为分布式控制系统提供了良好的高实时性、高可靠性解决方案。目前，在一些大型包装、印刷、纺织、机器人和CNC等领域，该方案能够较好地解决系统模块化的布局，具有较高的应用价值。采用Powerlink开源技术作系统总线，能够较好地利用Powerlink开源的优势，提供较高的实时性和安全性，同时具有较低的成本。

1 分布式伺服控制

分布式伺服控制实质上是分布式驱动，集中式控制。典型的分布式伺服系统结构如图1所示。系统由1个主控制器和n个驱动节点组成，通过普通以太网介质组成环形网络。主控制器实现多轴控制的轨迹算法和主站通讯协议。轨迹控制算法实现了各轴的插补运算，并通过现场总线将指令发送到驱动节点。驱动节点根据目标指令和编码器反馈信息，实现控制环路，驱动电机运动。此外，总线上可以扩展I／O设备，采集传感器信息，扩展其他应用[2]。

图1 分布式伺服系统总体结构

分布式伺服系统的性能优劣，很大程度上取决于选择的运动控制总线。总线的速度、协议的效率直接影响了伺服轴的数据更新时间，进而影响伺服轴的控制精度；总线的安全可靠性和自诊断、自恢复能力决定了控制系统的稳定性；总线的应用是否广泛、调试是否方便，影响了总线的市场通用性，开发成本的高低。

开源技术Ethernet Powerlink具有良好的性能。首先，Powerlink的通信周期短，能够在几百微妙内刷新全部节点的控制信息。其次，Powerlink通过数据传输的特定方法来确保安全性，摒弃了以前需要的双绞线装置，降低了配线需求。归功于严格确定的时序，非常短的循环周期，很低的网络抖动，开放的实时通信系统，为Powerlink安全性提供了理想的基础[3]。此外，Powelrink与标准以太网兼容，具有高实时性、拓扑结构灵活、热插拔和开源等特点，这些都为Powerlink的广泛应用提供了基础。因此，选用Powerlink技术作为伺服控制总线，是性能良好且成本实惠的选择。

2 Powerlink在伺服驱动器上的实现

2.1 硬件框架

主控制器和驱动节点的硬件电路基本相同，如图2所示，都采用Freescale Cortex-M4ARM做主处理器，通过FlexBus总线与FPGA通信。FPGA外接DDR2存储器件和2个以太网控制芯片DP83630，主要实现Powerlink协议。驱动节点还有一个编码器模块输入和电机驱动输出。

图2 节点硬件结构

2.2 初始化过程

驱动节点初始化过程如图3所示。首先是主站上电启动，初始化并等待从站节点的接入。然后驱动节点上电，驱动器进行自检和初始化。此时强电还没有接通，驱动节点应答主控制器的IdentRequest请求，完成Powerlink的初始化，并告知应用层当前初始化状态。应用层判断Powerlink初始化正常，接通强电，否则发出错误信息到数码管显示[4]。

图3 驱动节点初始化过程

2.3 正常通信过程

初始化成功后，主从站根据对象字典配置信息进行通讯（通讯数据如表1和表2所示）。主控制器依次给各驱动节点发送命令伺服使能，驱动节点反馈伺服就绪，开始正常运转。每个通信周期，主控制器给个驱动节点发送插补指令，驱动节点反馈实际转速和驱动器状态信息[5]。

表1 主站数据格式

表2 从站数据格式

2.4 Powerlink移植

无论是否采用操作系统，Powerlink一般包括这样4个任务处理：事件队列、以太网收发事件、时钟事件和外部按键输入处理。由于没有使用操作系统，所以将事件队列和ms级时钟事件放在主函数中查询处理，以太网事件、高精度时钟事件和按键输入处理使用中断的方式实现，通过接口函数与协议栈进行通信。Powerlink主站的移植，针对Xilinx Spartan6系列FPGA，修改了Ethernet Edrv，Timer，Buffer，以及Cfm模块。

Powerlink的硬件架构如图4所示[6]。Ethernet驱动使用了Powerlink IP核，IP核里调用open-MAC来管理数据收发。Timer包括1个ms级时钟和2个ns级时钟。ms级时钟由软核定时器提供，ns级时钟TimerCycle由FPGA内部50MHz时钟产生（每个滴答20ns），去掉了另外一个时钟TimerSlot，数据的发送改由定时发送帧的函数omethTransmitTime代替。Cfm配置模块中，cdc将文件转换成数组添加到工程里面，然后将对文件mnobd.cdc的处理转换成对Buffer的处理，这样就省去了FPGA对文件系统的支持。

图4 Powerlink IP核结构

Powerlink从站的移植，针对Cyclone IV做了相应修改，大体与主站修改过程类似。

2.5 测试结果

在100Mbit／s的网络带宽下，通过Powerlink总线，400μs内实现了5个从站伺服驱动器的数据刷新，编码器反馈速度与命令速度之间有1～2个通信周期的滞后，基本上实现了各个驱动节点的同步控制。具体数据量与通信周期的关系如表3所示。

表3 Powerlink通信测试

3 结束语

分布式伺服控制简化了机械设计，提高了设计的灵活性，在当前运动控制高速化、多轴化和复杂化的需求下，能够较好地满足市场需求。基于Power-link通信技术的分布式伺服驱动器，结合了目前普遍采用的Powerlink总线技术，能够较好地满足较高的实时性和可靠性。

[1]宋华振，陈志彤，曹海笑，等.走向分布式的伺服控制[J].现代制造，2006，（10）：42-43.

[2]吕应明，袁海文，刑军伟.基于CAN总线的分布式位置伺服系统设计[J].电子技术应用，2010，36（3）：136-139.

[3]EPSG.Powerlink安全性-灵活地安全性协议[Z].上海：贝加莱工业自动化有限公司，2012.

[4]樊留群.实时以太网及运动控制总线技术[M].上海：同济大学出版社，2009.

[5]GSK.DA98E系列总线式交流驱动单元使用手册[Z].广州：广州数控设备有限公司，2011.

[6]AVNET.Xilinx FPGA Powerlink Controlled Node Application Note（ADS Spartan6Ethernet Powerlink Board）[Z].香港：安富利科技集团，2012.