MECHATRONLINK-Ⅲ通讯型多轴运动控制系统设计

沈阳康特机电设备有限公司 吕翠玉

沈阳机床股份有限公司数控刀架分公司 於成业

为达到高精度的自动化生产需求，提出了一种以DSP28335为控制核心，以MECHATRONLINK-Ⅲ总线为通讯网络的运动控制系统设计。文章给出了该系统的硬件结构和软件流程，通过实际的应用结果表明，该系统可以稳定、可靠控制，在一定程度上提高了设备的加工精度。

为实现设备生产的稳定和精准，数字量通讯在逐渐替代模拟信号的传递，各种总线技术的开发和完善使得数字量通讯得到了更为广泛的应用。MECHATRONLINK-Ⅲ总线就是高速的、可用于运动控制系统的现场总线之一。该总线在各控制领域得到广泛的应用。文章提出了基于MECHATRONLINK-Ⅲ总线的DSP运动控制系统，可实现对多个伺服或变频轴精准控制。

1 MECHATRONLINK-Ⅲ总线介绍

MECHATRONLINK-Ⅲ的目标领域是以运动为中心的现场网络，可以通过网络电缆把主站、伺服从站、变频从站和I/O从站等连接起来，实现信息交互，达到精准控制的目的。MECHATRONLINK-Ⅲ的通讯速度可达到100Mbps的高速传输，通讯周期可根据连接的从站数量设定，文中设计的运动控制系统的通讯周期设定为2ms，可连接的从站数量为15个伺服轴，4个变频轴和一个I/O从站。

MMA协会提供了丰富的底层样例代码以及强大的技术支持，在很大程度上缩短了控制系统的开发周期。

2 运动控制系统硬件设计

MECHATRONLINK-Ⅲ总线的运动控制系统的CPU选用TI公司的TMS320F28335，通过数据和地址总线与Mechatrolink Ⅲ电路、CPLD电路、掉电存储电路和SRAM相连，编码器电路与DSP的eQEP模块相连，通讯控制电路与DSP的SCI模块相连，I/O接口电路连接到DSP的数据总线上，电源电路分别为各个模块提供电源。系统硬件结构图如图1所示。

图1 系统硬件结构图

其中Mechatrolink Ⅲ电路如图2所示，包括依次连接的Mechatrolink Ⅲ协议芯片、Ethernet PHY芯片、电磁隔离芯片和外接连接器。DSP经过CPLD对JL101进行片选、复位和中断读取等控制，选用DSP的XINTF（外部接口）存储区域中的区域6和区域7作为Mechatrolink Ⅲ的存储区。

图2 Mechatrolink Ⅲ通讯电路图

文中设计的运动控制系统通过Mechatrolink Ⅲ总线对伺服轴、变频轴和I/O从站进行信息交互和控制，满足设备的动作需求。且运动控制装置通过RS485与HMI人机界面通讯，以便于控制和实时数据的观测。

3 运动控制系统软件流程

根据实际搭建的硬件电路，分别对DSP和CPLD进行程序编写，具体的程序模块主要包括I2C掉电存储模块、Modus RTU触摸屏通讯模块、TCP通讯模块、故障处理模块和基于Mechatrolink Ⅲ总线的运动控制模块等；通过总线控制的软件部分是基于Mechatrolink协会提供的主站驱动程序，完成对从站和JLl01的初始化，并根据伺服从站、变频从站和I/O从站类型的不同对字节数进行区分定义，伺服从站为48byte，变频从站为32byte，I/O从站为16byte。运动控制系统作为主站，负责给各从站发送控制命令，并读取各从站的反馈信息，根据伺服和变频从站反馈回的位置和速度等信息进行相应运动控制。

文中设计的控制系统采用循环通信模式，设定的循环通信周期为2ms，伺服轴的移动和定位采用POSING模式，实现精准定位，点动和切割采用VELVCTRL模式，实现快速响应。变频轴主要用于简单的定向移动，并与接近开关配合进行逻辑控制。程序可根据设备动作的不同需求来对各轴进行相应命令的调用。具体对从站的控制逻辑如图3所示。

图3 命令运行控制逻辑图

4 实际应用测试

文中设计的运动控制系统与安川Σ-7交流伺服、GA700变频和MySystemI/O从站共同搭建控制柜，目前已实际应用于线下焊管切割系统，实现了高速、稳定切割，切割精准度在±1mm左右。

根据现场的实际应用反馈，本文设计的基于MECHATRONLINK-Ⅲ总线的运动控制系统可以实现稳定可靠、高效精准控制，各类从站连接方便，多轴控制简单优化。若CPU的内存足够大，可以考虑连接更多从站，实现更多轴的控制。且可以了解MECHATRONLINK-4总线通讯，进行更多从站的扩展。