隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的日益成熟，美國、日本、歐洲相繼研制了融現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和100m以太網(wǎng)技術(shù)，plc技術(shù)，可視化人機(jī)接口技術(shù)和全球化生產(chǎn)管理技術(shù)為一體的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。德國jetter ag公司推出jetweb、keb公司推出的kebmotion、lence公司的lence、英國trio公司推出的triomotion、以色列elmo公司推出的masetro等。以太網(wǎng)是控制器的一部分并作為連接智能控制模塊的系統(tǒng)總線;內(nèi)部和外部的數(shù)據(jù)通訊在此沒有區(qū)別，網(wǎng)絡(luò)就是控制器。以太網(wǎng)系統(tǒng)總線就是現(xiàn)場(chǎng)總線，可連接到每個(gè)獨(dú)立的控制模塊。 為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線新技術(shù)的發(fā)展，很多高校電氣類、電子類、機(jī)電一體化以及其它一些專業(yè)都相繼開設(shè)了《現(xiàn)代交流伺服控制》這門課程（注:教材已由清華大學(xué)出版社出版）。但是與這門課程配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置數(shù)量還是很有限，這無疑對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)是十分欠缺的。為了解決這一現(xiàn)象，作者所在研究所研制了一種“基于以太網(wǎng)交流伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”。學(xué)生可以通過can總線和以太網(wǎng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，完成諸如數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、電機(jī)遠(yuǎn)程控制與檢測(cè)等一系列基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成與工作原理 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成 在開放式伺服數(shù)控的研究方面，美國、德國、日本和歐洲在技術(shù)上處于領(lǐng)先行列。國內(nèi)的伺服研究起步比較晚。筆者與天津羅升集團(tuán)合作，采用以色列elmo伺服構(gòu)建了基于以太網(wǎng)和can總線的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)用開放式伺服控制系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn): 解決了高?！冬F(xiàn)代交流伺服控制》這門課程的實(shí)驗(yàn)課急需，有利于增強(qiáng)學(xué)習(xí)課程的感性認(rèn)識(shí)，提高他們的動(dòng)手能力，提高學(xué)習(xí)興趣; 改變了學(xué)生過去的現(xiàn)場(chǎng)控制的概念，有利于拓展視野; 不僅適用于高等學(xué)校機(jī)電一體化，電子電器，電氣自動(dòng)化專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究，可作為電機(jī)類本科生及研究生的開放性試驗(yàn)平臺(tái)，為其認(rèn)識(shí)和掌握現(xiàn)代交流調(diào)速及伺服系統(tǒng)奠定必要的基礎(chǔ)，而且可直接運(yùn)用于數(shù)碼雕刻、包裝機(jī)械、模具生產(chǎn)等工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)合。它構(gòu)成了一個(gè)遠(yuǎn)程控制的伺服控制系統(tǒng)，通過微機(jī)編程，可進(jìn)行多自由度、多機(jī)協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)高速、高進(jìn)度、低震動(dòng)等伺服特性，還可用于機(jī)器人控制、柔性制造業(yè)等領(lǐng)域; 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、維修、診斷等，節(jié)約運(yùn)行成本。 基于以太網(wǎng)和can總線的教學(xué)用交流伺服體系結(jié)構(gòu)[1]見圖1?？刂葡到y(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)（1）、多軸運(yùn)動(dòng)控制器（2）、交流伺服驅(qū)動(dòng)器（3）和交流伺服電機(jī)（4），其特征是多軸運(yùn)動(dòng)控制器（2）通過以太網(wǎng)或局域網(wǎng)與上位計(jì)算機(jī)（1）相連，交流伺服驅(qū)動(dòng)器（3）之間以及交流伺服驅(qū)動(dòng)器與多軸運(yùn)動(dòng)控制器（2）之間通過通過can總線相連，交流伺服驅(qū)動(dòng)器（3）的輸出與交流伺服電機(jī)（4）相連。 [align=center] 圖1 基于以太網(wǎng)的伺服實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)[/align] 系統(tǒng)工作原理 上位計(jì)算機(jī)（1）通過接插支持tcp/ip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊適配卡（100m）獲得對(duì)以太網(wǎng)總線的支持，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視管理。上位計(jì)算 機(jī)（1）完成任務(wù)規(guī)劃后，根據(jù)tcp/ip協(xié)議通過以太網(wǎng)向多軸控制器（2）發(fā)送指令信息，控制器解釋指令后，通過透明網(wǎng)關(guān)[2]將tcp/ip協(xié)議轉(zhuǎn)化為can2.0b網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過can總線向交流伺服驅(qū)動(dòng)器（3）發(fā)送控制命令，can節(jié)點(diǎn)解釋指令以后轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào)，控制交流伺服電機(jī)（4）。由于集線器技術(shù)被集成在每個(gè)控制器中，通過分配地址空間可以把內(nèi)部通訊從外部通訊中分離開來。集線器技術(shù)及底層協(xié)議的集成，確保了以太網(wǎng)的確定性和兼容性，排除了通訊的碰撞問題。整個(gè)過程或系統(tǒng)被看作為一個(gè)邏輯單元，甚至是一個(gè)獨(dú)立的控制器。不需考慮網(wǎng)絡(luò)的各層概念，而只形成為一個(gè)層，去除了cpu的瓶頸效應(yīng)。所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中僅需表達(dá)一次，網(wǎng)絡(luò)扮演真正的服務(wù)器。 插補(bǔ)方案采用粗精兩級(jí)插補(bǔ)，由上位機(jī)進(jìn)行粗插補(bǔ)，根據(jù)進(jìn)給速度和加減速的要求計(jì)算出每個(gè)軸每個(gè)插補(bǔ)周期的位移量，并將位移量轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)送給多軸控制器，每個(gè)多軸控制器可以最多協(xié)調(diào)控制109個(gè)伺服電機(jī)，當(dāng)然，也可以用can總線直接控制伺服驅(qū)動(dòng)器，只是編程較為繁瑣。 在位置伺服控制中，本系統(tǒng)采用pip（比例-積分-比例）控制算法,而不是傳統(tǒng)的pid控制[3]。pip控制最初是由young等人[4][5]提出的，由于篇幅的緣故本文不做詳細(xì)的分析。 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 基于以太網(wǎng)的交流伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已成功地在南京工業(yè)大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制研究所中搭建完成，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，可廣泛應(yīng)用于數(shù)碼雕刻，包裝機(jī)械，模具生產(chǎn)等工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)合，更適用于高等學(xué)校機(jī)電一體化，電子電器，電氣自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生（研究生）生產(chǎn)實(shí)習(xí)，課程設(shè)計(jì)等課程的實(shí)驗(yàn)研究。并且開發(fā)了can總線基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)、交流伺服控制實(shí)驗(yàn)、數(shù)控插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)等一系列實(shí)驗(yàn)。所開發(fā)的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次。 下面通過遠(yuǎn)程控制電機(jī)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來具體說明本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的原理和過程，能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上要求的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求和步驟完成（如控制算法，觀察各種曲線軌跡插補(bǔ)過程，多電機(jī)同步控制及聯(lián)動(dòng)參數(shù)調(diào)整，指導(dǎo)調(diào)整器參數(shù)設(shè)定，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試等）實(shí)驗(yàn)達(dá)到驗(yàn)證性，同時(shí)進(jìn)一步了解實(shí)驗(yàn)的原理和過程。 本系統(tǒng)采用的是以色列elmo公司的位置伺服控制系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)器內(nèi)集成的是motorola公司開發(fā)的電機(jī)專用芯片dsp56f805。圖2為用dsp56f805[7][8][9]實(shí)現(xiàn)對(duì)三相永磁同步電機(jī)控制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的閉環(huán)控制。電機(jī)位置的檢測(cè)采用的是“反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法”。其中，過零信號(hào)由dsp56f805正交解碼模塊的輸入監(jiān)控寄存器（imr）讀取，pwm 輸出通道屏蔽操作的切換則由寫入pwm模塊的pwm通道控制寄存器（pmccr）的相應(yīng)msk位實(shí)現(xiàn)。pwm模塊被設(shè)置為獨(dú)立模式，輸出頻率為16khz。程序既可以在dsp56f805 的內(nèi)部flash 中運(yùn)行，也可以在evm 板上的外部ram 中運(yùn)行，這可以通過在程序編譯時(shí)進(jìn)行目標(biāo)選擇。系統(tǒng)中的并口是用于進(jìn)行程序目標(biāo)代碼的下載。這樣，電機(jī)運(yùn)行的啟停和速度調(diào)節(jié)控制既可以手工控制，也可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行訪問控制。 擴(kuò)展實(shí)驗(yàn) 擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)則是在基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上掌握實(shí)驗(yàn)軟件的流程，熟悉完成本實(shí)驗(yàn)的功能函數(shù)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)象是一個(gè)多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),每個(gè)電機(jī)都由一個(gè)dsp56f805芯片來控制, 從而形成一個(gè)以dsp控制器為核心的以控制電機(jī)為目的的智能節(jié)點(diǎn)。然后，利用can總線將這些智能節(jié)點(diǎn)連接起來，最后通過以太網(wǎng)構(gòu)成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)（pc機(jī)）、基于計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)信息管理終端（網(wǎng)卡）、嵌入式透明網(wǎng)關(guān)（多軸控制器）、交流伺服電機(jī)和具有dsp的交流伺服驅(qū)動(dòng)器組成[6]。 學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的講授掌握實(shí)驗(yàn)軟件的流程并熟悉完成本實(shí)驗(yàn)的功能函數(shù)，在軟件編譯環(huán)境下閱讀軟件代碼，通過運(yùn)行函數(shù)function run（）來實(shí)現(xiàn)控制命令解釋，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上列舉的實(shí)驗(yàn)，采用vc++開發(fā)曲線控制程序，實(shí)現(xiàn)function run（）的功能。然后在熟練掌握tcp/ip、can協(xié)議的基礎(chǔ)上，開發(fā)通信控制接口api，并用mfc開發(fā)一個(gè)小型的控制軟件界面，裝載需要開發(fā)的各種曲線控件。 例如:學(xué)生可以通過本地計(jì)算機(jī)（假設(shè)ip:10.0.0.23）完成遠(yuǎn)程控制can控制器id=004的伺服電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)規(guī)定轉(zhuǎn)數(shù)的實(shí)驗(yàn)，控制id=001號(hào)和id=002號(hào)的伺服電機(jī)協(xié)同工作畫重復(fù)圓的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生要先在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上查閱到控制伺服電機(jī)的控制命令，然后自己按照實(shí)驗(yàn)的要求得到控制命令，再按照實(shí)驗(yàn)步驟發(fā)送控制命令，最后在ip地址為10.0.0.28計(jì)算機(jī)終端驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)完成的正確性。 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是在前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了充分挖掘?qū)嶒?yàn)的潛力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力而開發(fā)的，要求學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)軟件自身的不足，通過修改程序代碼來改進(jìn)實(shí)驗(yàn)軟件。 對(duì)于更高層次的研究，學(xué)生可以開發(fā)各種數(shù)控加工的組件，對(duì)南工大現(xiàn)場(chǎng)總線控制軟件的不足部分或者自己在操作實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)軟件的問題進(jìn)行改進(jìn)。例如:軟件中沒有開發(fā)數(shù)控g代碼等，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)了伺服電機(jī)的遠(yuǎn)程控制代碼的基礎(chǔ)上，嘗試完成新功能的實(shí)現(xiàn)。這部分實(shí)驗(yàn)相對(duì)難度較大，學(xué)生可以多人組成團(tuán)隊(duì)并在實(shí)驗(yàn)老師的指導(dǎo)下完成。 作為學(xué)生的課程設(shè)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)裝置預(yù)留了很多擴(kuò)充接口，以備后續(xù)開發(fā)，比如現(xiàn)在很多重要的設(shè)備/場(chǎng)合都需要進(jìn)行視頻監(jiān)控，以往的做法是通過ntsc/pal模擬信號(hào)送至中央監(jiān)控室，100個(gè)監(jiān)控點(diǎn)需拉100條同軸電纜[6]。若需要將現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備狀態(tài)反映在企業(yè)的管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，則將上位機(jī)連入企業(yè)網(wǎng)內(nèi)，通過視頻卡數(shù)字化和視頻服務(wù)器實(shí)現(xiàn)視頻圖象在網(wǎng)上傳播。異地查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)也必須通過internet到企業(yè)網(wǎng)，再到與現(xiàn)場(chǎng)控制器緊密相連的控制系統(tǒng)的i/o服務(wù)器取數(shù)據(jù)。現(xiàn)在可以采用臺(tái)灣上尚公司推出了基于tcp/ip全數(shù)字化攝像機(jī)，由于學(xué)生在自己開發(fā)的軟件中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了tcp/ip控制，所以只需要在自己的軟件中增加相應(yīng)的控件，就可以通過internet/intranet可以直接操控?cái)z像機(jī)或者將實(shí)時(shí)視頻圖像和過程數(shù)據(jù)反饋到系統(tǒng)中，由反饋數(shù)據(jù)通過internet/intranet來操控nut教學(xué)用總線伺服系統(tǒng)，視頻遠(yuǎn)程控制的目的。 圖2 基于dsp的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 結(jié)語 本文提出的以太網(wǎng)、can總線和dsp相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)為交流伺服的網(wǎng)絡(luò)化研究和應(yīng)用作出了一次有益的新探索。以太網(wǎng)可以通過tcp/ip方面地構(gòu)成遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)，can總線可以很好地滿足控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)的較高要求，同時(shí)使用can總線還使得系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性能。 nut總線伺服系統(tǒng)可進(jìn)行多自由度的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)高速（3000r/min）、高精度（16384p/r）、低震動(dòng)等伺服特性，該技術(shù)代表21世紀(jì)最新調(diào)速及伺服傳動(dòng)控制，可應(yīng)用于機(jī)器人控制、柔性制造業(yè)等領(lǐng)域。其開發(fā)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可提供電機(jī)電氣類本科生及研究生開放性試驗(yàn)平臺(tái)，為其認(rèn)識(shí)和掌握現(xiàn)代交流調(diào)速及伺服系統(tǒng)奠定必要基礎(chǔ)。該系統(tǒng)集小型、高性能和易用性于一身，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮學(xué)生的特點(diǎn)，開放性好，可結(jié)合教學(xué)要求，自行設(shè)計(jì)算法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的思考能力和動(dòng)手能力，加深對(duì)理論的理解，同時(shí)考慮到教師的需要，為教師進(jìn)行科研開發(fā)創(chuàng)造條件。該系統(tǒng)的研制成功，必將在21世紀(jì)的運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮重要的作用。