面向注塑机的RTEX型嵌入式伺服控制器设计

焦文潭，布 挺，张 刚

（洛阳理工学院 电气工程与自动化学院，河南 洛阳471023）

脉冲型伺服控制系统由于成本低、技术成熟，普遍应用于注塑机（瓶胚、快餐盒）配套机械臂。随着行业发展，塑机行业对机械臂的要求出现两个趋势：第一，由追求工作速度变为速度和柔性控制并重。在业内利用脉冲型伺服控制系统将伺服电机超出额定转速工作，以配合注塑机[1]提高产能，但也导致机械臂出现动作柔性差、手臂振动等缺点。第二，对控制系统通用性要求高。注塑行业机械臂分为标准机和非标机。标准型包含2轴系统和3轴系统。即使如此，最早应用于标准机的基于MCU PWM技术的控制板卡也分为2轴配套控制卡、3轴配套控制卡，系统软硬件均有所区别，而基于专用芯片设计的脉冲型控制系统一般最多支持4轴，如MCX312（2轴）、MCX314（4轴）。非标性设备轴数机械结构较复杂，通常都在3-5轴（如膜内贴标机）甚至更多，脉冲型控制系统通用性差，给培训、调试、维护及售后带来了极大的不便，总线型控制系统的优势就凸显出来。近五年，各种总线型控制系统已经在业内高端机上尤其是非标准机上推广应用。

1 设计原理

RTEX协议[2-3]是Panasonic公司针对其A5N（包含A6N）系列交流伺服产品开发的具备高度实时性的通讯协议（通信基础：100base-TX，全双工：100Mb/s）。与Ethernet[4]相比，RTEX协议突出通信的高效性，简化的数据包更利于通信的实时性。RTEX协议的系统拓扑为环形结构。该协议支持采用4种通信周期（A5N支持4种，A6N进一步扩展）：0.0833ms、0.1666ms、0.5ms、1.0ms。协议通信支持2种数据包：16Byte和32Byte。工作模式支持4种 ：PP Mode、CP Mode、CV Mode、CT Mode。 由 于RTEX协议采用网路传输、环形配置，最多可扩展32轴（受MNM1221内部映射寄存器限制）。

2 系统设计

Maste（r主控系统）板卡主要包含：核心电路（Core control bank）、欧规注塑机交互接口区（European 67 standard）、扩展I/O区（I/O bank）以及电源等辅助电路。

2.1 主控系统

主控制器采用PIC24FJ256DA210。主控板卡的核心电路由PIC MCU、MNM1221、PHY（以太网）以及Pulse Transforme（r脉冲变压器）构成。PIC与驱动器之间的通信通过板卡的MNM1221与A5N驱动器构建环形拓扑[5-6]，建立实时系统。

MNM1221是MCU与A5N驱动器连接的纽带，负责发送主控器（Master）的命令数据并接收驱动器（Slave）的反馈数据。

2.2 交互信号

主控板卡的交互信号结合工艺流程[7]可分为两类：（1）与注塑机交互接口。依据注塑行业欧规67标准，设计主控板卡与注塑机电脑的交互信号。（2）扩展I/O区。扩展通用16路Input、16路Output。交互信号通过总线管理芯片及端口管理芯片受PIC MCU控制。控制板卡扩展通用I/O：16路输入、16路输出，与MNM1221共用数据总线。由于主控板卡通信周期为0.5ms，在控制伺服过程中，每0.1ms（NC operate cycle）与环路的伺服驱动器进行一次数据交换。因此，所有通用I/O均通过总线管理芯片统一管理，防止I/O信号干扰伺服通信。在一个指令更新周期，对I/O状态的使能、读取与输出在完成伺服数据交互之后进行。

2.3 软件系统

系统软件主要划分为两部分：（1）对MNM1221状态的控制。（2）系统动作指令的发送、反馈及伺服状态监测与上传（HMI）。

对MNM1221的控制是系统正常工作的关键。系统在进入运行（MNM1221-Running）状态后，一条指令的执行需要经历二个环节：MCU-MNM1221-A5N。因此，每一个通讯周期的中断事件中，首要任务就是与MNM1221数据交换，即MCU发送指令数据包、接收并检测驱动器的反馈数据（包含：指令码和状态字等信息）。与伺服通信的关键控制流程[8]如图1所示。

图1 伺服通信控制流程图

3 分析和测试

3.1 硬件测试平台

搭建硬件平台进行测试。平台驱动器选择A5N驱动器（型号：MADTH1507NA1）。硬件测试平台主要组件如图2所示。

图2 硬件平台组件（控制板卡、驱动器）

3.2 定位测试

在测试过程中，通过PANATERM监测0号轴（A5N驱动器MACID：0）的状态，如图3所示。

图3 定位测试曲线

在定位测试中，命令数据包中位置指令是指令位置：0x7FFF（指令单位），目标速度为3000r/min，加减速度设为500（指令单位）/s2。通过实验所得波形曲线可以看到，0号轴实速度曲线与指令速度曲线有良好的相似性，说明实速度对指令速度有很好的跟随性。

4 结束语

本文作者面向注塑行业应用，设计了一款总线型伺服控制板卡。控制器与驱动器的通信采用RTEX协议，可支持Panasonic的A5N、A6N系列伺服。通过硬件平台测试验证：系统通信可靠、控制效率高、动作柔性好，验证了系统的可靠性和实用性、在此基础上，系统需要进一步完善安全机制，设计基于RTEX协议的I/O板，为现场带载调试提供支撑。