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浙江大学硕士学位论文基于e p a 的分布式数控系统 摘要 随着信息技术和网络技术的发展，数控系统将向智能化、网络化、信息化和 开放性的趋势发展。由于传统的利用脉冲或者模拟信号传送控制信号的方式没有 任何校验，一旦受到干扰，信号就会失真，确定性没法保证。而且作为一个系统， 各个驱动器之间没有数据通信，同步性能也没法保证。现在，国外已经开展总线 技术应用于数控系统的研究，如德国的s e r c o s 总线，日本三菱的c c l i n k 总 线等，并以其良好的性能快速推向市场。 实时以太网e p a ( e t h e m e t f o r p l a n t a u t o m a t i o n ) 标准解决了通信确定性和 实时性、总线供电、互可操作、可靠性与抗干扰性、网络安全等关键技术。2 0 0 5 年被国际电工委员会发布i e c p a s6 2 4 0 9 标准化文件、列为实时以太网国际标准 i e c6 1 7 8 4 2 第十四行规簇和现场总线国际标准i e c6 1 1 5 8 第十四类型。 针对这个情况，课题组通过开展e p a 在运动控制中的应用研究，解决e p a 在运动控制中应用所需的关键技术，诸如高速性能、精确同步性能和高可靠性等， 使其满足运动控制所要求的规定指标，形成具有自主知识产权的运动控制总线技 术，从而突破国外的技术壁垒，使技术指标达到或超过国际先进水平。 本论文主要围绕着如何设计基于e p a 标准的分布式数控系统而展开，通过 对国外总线技术的研究，结合e p a 通信特点，在已有的e p a 开发平台和各种成 熟技术的基础上，对由电气公司提供的c o s m o1 2 2 t 型数控系统进行研究与改 造。本文作者设计和开发了针对电气公司的操作面板的带有e p a 接口的通信模 块；以及针对电气公司的伺服驱动器的嵌入式转接电路板，并基于a r m 进行了 目标点跟踪插补算法的研究与设计。 设计的系统充分应用e p a 的通信优势，通过确定性通信调度机制克服了传 统以太网碰撞的缺点；同时，采用精确的时钟同步协议，满足数控系统同步性能 的要求。整个系统采用分布式结构，组网灵活，为改进和提高各种性能提供了平 台，为今后的功能扩充打下了良好的基础。 【关键词】数控系统，e p a ，确定性通信调度，p t p ，目标点跟踪插补算法 浙江大学硕士学位论文 基于e p a 的分布式数控系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e d e v e l o p m e n tt r e n do fn u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) s y s t e ma r ei n t e l l i g e n tn e t w o r k i n g i n f o r m a t i o na n do p e n n e s s d u et ot h ea b s e n c eo fr e l i a b l ed a t a - v e i l f y i n gm e t h o db y u s i n gp u l s es i g n a lo ra n a l o gs i g n a li nd a t at r a n s m i s s i o n ，t h et r a d i t i o n a lw a y w i l ll e a d t os i g n a ld i s t o r t i o na n di n c e r t i t u d eo fd e t e r m i n a t i o no n c ed i s t u r b e d w i t h o u td a t a t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h ed r i v e r sa sas y s t e m ，t h es y n c h r o n i z a t i o nc a na l s on o tb e g u a r a n t e e da n di m p r o v e d r e c e n t l y , t h er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no f b u st e c h n o l o g y 曲n cs y s t e mh a sb e e np r o c e s s i n ga t 曲r o a d s u c ha ss e r c o sb u so fg e r m a na n d c c “n kb u so f m i t s u b i s h io f j a p a nw h i c hh a v e b e e np u s h e di n t om a r k e tr a p i d l yw i m t h eg o o dp e r f o r m a n c e n o w , t h ee r u c i a lt e c h n o l o g yo ft h ee t h e m e tu s e di nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m si s r e s o l v e d ，i n c l u d i n gc e r t a i n t yo ft h en e t w o r k 。r e a lt i m eo ft h en e t w o r k ，i n t e r o p e r a t i o n o ft h en e t w o r k , s a f e t yo ft h en e t w o r k ，b u s - p o w e r e d ，r e l i a b i l i t y , a n t i - j a m m i n ga n ds o o n d i 西t a ld a t ac o m m u n i c a t i o nf o rt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 - - e p af o ru s i n gi n i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m sb e c a m et h ec p f l 4 ( c o m m o np r o f i l ef a m i l y1 4 )o ft h e r e a tt i m es t a n d a r di e c 6 1 7 8 4 2 u n d e rt h i ss i t u a t i o n ，t h ea i mo ft h ep r o j e c tg r o u pi st or e s o l v et h ek e yp r o b l e m s ， i n c l u d i n gh i 曲s p e e dp e r f o r m a n c e ，a c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t y , t o m e e tt h e r e q u i r e dp e r f o r m a n c ea n df o r mi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y b u s t e c h n o l o g yo fm o t i o nc o n t r 0 1 s ow ec a nr e a c ha n ds u r p a s st h el e v e lo fi n t e r n a t i o n a l m o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yb yc r o s s i n go v e rf o r e i g nt e c h n i c a lb a r r i e r s t h i sp a d e rm a i n l yd i s c u s s e dh o wt od e s i g nad i s t r i b u t e dn cs y s t e mb a s e do ne p a s t a n d a r d t h r o u 吐t h es t u d yo nf o r e i g nb u st e c h n o l o g ya n dt h ec o m b i n a t i o nw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so f c o m m u n i c a t i o ni ne p a w eh a v es t u d i e da n di m p r o v e dt h ec o s m o 1 2 2 tn cs y s t e mo fe l e c t r i c a lc o r p o r a t i o no nt h eb a s eo fd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h e a l l t h o rh a sd e s i g n e dt h ee p ac o f f l m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h ee m b e d d e dc o n n e c t i n g c i r c u i t a c c o r d i n gt ot h es e r v od r i v eo ft h ee l e c t r i cc o m p a n y t h es t u d ya n dd e s i g no f t a r g e tp o i n tt r a c ki n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mo na r mh a v ea l s ob e e nd o n ei nt h i sp a d e l t h ed e s i g n e ds y s t e me l i m i n a t e st h ed i s a d v a n t a g eo fc o l l i s i o ni nt r a d i t i o n a le t h e m e t b ym a k i n gf u l lu s eo f t h ed e t e r m i n i s t i cc o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n gm e c h a n i s mo f e p a i nc o m m u n i c a t i o n a n di tm e e t st h er e q u i r e m e n t si ns y n c h r o n i z a t i o nb yu s i n g a c c u r a t ec l o c ks y n c h r o n a lp r o t o c 0 1 n e t w o r k i n go ft h ew h o l es y s t e mi sf l e x i b l eb y u s i n gd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e i ta t s oo f f e r sap l a t f o r mt oi m p r o v ep e r f o r m a n c ea n da g o o df o u n d a t i o nf o rf u n c t i o ne x t e n s i o n 【k e y w o r d s 】c n c e p ac s m ep t p t a r g e tp o i n tt r a c ki n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m 浙江大学硕士学位论文 基于e p a 的分布式数控系统 1 1 本课题的研究背景 第1 章绪论 我国在运动控制器产品开发方面相对落后，实际上大多是在国内推广国外生 产的运动控制器产品，真正进行自主开发的公司较少。“八五”期间，我国广大 科研工作者也成功开发了两种数控平台和华中i 型、蓝天i 型、航天i 型、中华 i 型等4 种基本系统，这些系统采用模块化，嵌入式的软、硬件结构。其中以华 中i 型较具代表性，它采用工业p c 机上插接口卡的结构，运行在d o s 平台上， 具有较好的模块化、层次化特征，具有一定扩展和伸缩性【3 】。 国家统计局0 5 年1 2 月1 4 日发布的经济普查主要数据第二号公报显示，制 造业占我国工业企业数量的9 1 6 、主营业务收入的8 6 8 、利润的7 3 1 ，制造业居我国工业主导地位。这一数据表明，中国“制造大国”地位进一步 加强，但“中国制造”面临诸多尴尬，为了在全球价值链分工中占有相应地位， 中国制造业要更注重自主创新。 据中国机械工程学会统计，目前中国社会固定资产中设备投资的2 3 依赖进 口，中国装备制造业产品每年的外贸逆差高达数百亿美元。2 0 0 3 年，中国进口 机械产品达9 7 5 6 4 亿美元。其中，光纤制造设备和6 0 万千瓦发电机的控制设 备几乎百分之百靠进口：集成电路芯片制造设备的8 5 、石油化工设备的8 0 、 轿车制造装备、数控机床和其他数字化机械如纺织机械、多色胶印设备7 0 以 上依靠进口。 目前，我国是世界上经济发展最快的国家，市场上新设备的控制需求、传统 设备技术升级、换代对运动控制器的市场需求越来越大。另外由于市场日益竞争 的压力，系统集成商和设备制造商要求运动控制系统向开放式方向发展。同时， 经济型数控市场占有率正在逐渐减小。在这样的形势下，我国可以抓住这机遇， 研制出具有自主知识产权，具有高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制器 产品。 运动控制总体包括计算机控制、现场总线通讯和电气传动、机械传动三大部 分。它主要关注系统的实时控制特性，具体包括同步传动、准确定位、高动态速 度和转矩特性等。具体的系统着眼点不同，但评价任何一个系统特性时要关注系 统的最终特性，不能简单的就某一部分的特性代表系统特性。上位控制器和驱动 器之间的通讯速率，驱动器的驱动能力和数学模型的准确性，传感器的精度和反 馈速度，机械系统的惯量等都会影响到系统性能。 浙江大学顾十学位论文摹于e p a 的分布式数控系统 运动控制是从早期的伺服控制发展起来的，简单地说，运动控制就是对机械 运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定 的运动参数进行运动。根据运动控制的特点和应用领域的不同，可以将运动控制 分成以下几种形式： ( 1 ) 点位运动控制 这种运动的特点是仅对终点位置有要求，与运动的中间过程即运动轨迹无 关。相应的运动控制器要求具有快速的定位速度，在运动的加速段和减速段，采 用不同的加减速控制策略。在加速运动时，为了使系统能够快速加速到设定速度， 往往提高系统增益和加大加速度，在减速的末段采用s 曲线减速的控制策略。为 了防止系统到位后震动，规划到位后，又会适当减小系统的增益。所以，点位运 动控制器往往具有在线可变控制参数和可变加减速曲线的能力嗍。 ( 2 ) 连续轨迹运动控制 又称为轮廓控制，主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。 相应的运动控制器要解决的问题是如何使系统在高速运动的情况下，既要保证系 统加工的轮廓精度，还要保证刀具沿轮廓运动时的切向速度的恒定。对小线段加 工时，有多段程序预处理功能。 ( 3 ) 同步运动控制 是指多个轴之间的运动协调控制，可以是多个轴在运动全程中进行同步，也 可以是在运动过程中的局部有速度同步，主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸 轮功能的系统控制中。工业上有机床、印染、印刷、造纸、轧钢、同步剪切等行 业。相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制，通过自动调节控制量 的幅值和相位，来保证在输入端加一个与干扰幅值相等、相位相反的控制作用， 以抑制周期干扰，保证系统的同步控制。 开放式运动控制系统的研究始于1 9 8 7 年，美国空军在美国政府资助下发表 了著名的“n g c ( 下一代控制器) 研究计划”，该计划首先提出了开放体系结构 控制器的概念，这个计划的重要内容之一便是提出了“开放系统结构标准规格 ( o s a c a ) ”。自1 9 9 6 年开始，美国几个大的科研机构对n g c 计划分别发表了相 应的研究内容，如在美国海军支持下，美国国际标准研究院提出了e m c ( 增强 型机床控制器) ；由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了 o m a c c l l ( 开放式、模块化体系结构控制器) ，其目的是用更开放、更加模块化 的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷。该计划启动后不久便公布了一 个名为o m a c a p t t 2 1 的规范，并促成了一系列相关研究项目的运行。通用运动 浙江大学硕上学位论文基于e p a 的分布式数控系统 控制技术作为自动化技术的一个重要分支，在2 0 世纪9 0 年代，国际上发达国家， 例如美国进入快速发展的阶段。由于有强劲市场需求的推动，通用运动控制技术 发展迅速，应用广泛。 根据a r c 近期的一份研究，世界通用运动控制( g e n e r a lm o t i o nc o n t r o l g m c ) 市场已超过4 0 亿美元，并且有望在未来5 年内综合增长率达到6 3 。 目前，通用运动控制器从结构上主要分为如下3 类： ( 1 ) 基于计算机标准总线的运动控制器，它是把具有开放体系结构，独立 于计算机的运动控制器与计算机相结合构成。目i j 这种运动控制器是市场上的主 流产品。 ( 2 ) s o r 型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控 制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的 标准化通用接口。s o f t 型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能 够给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。 ( 3 ) 嵌入式结构的运动控制器，这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控 制器中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠 计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的 计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式( 采用针式连接器) ，更 加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、r s 4 8 5 、s e r c o s 、p r o f m u s 等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置 软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过i n t e r n e t 进行远程诊断”】。 实时以太网e p a ( e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 标准1 ，是由浙江大学、浙 大中控为联合主持，并被国际电工委员会发布i e c p a s6 2 4 0 9 标准化文件、列为 实时以太网国际标准i e c6 1 7 8 4 2 第十四行规簇、现场总线国际标准i e c6 1 1 5 8 第十四类型，成为第一个由中国人制定的工业自动化国际标准，并改变了我国现 场总线技术和产品开发一直所处的跟踪研究现状。应用基于e p a 标准的产品， 可以成功避免使用国外产品带来的产品价格和服务价格昂贵的弊端，同时可以极 大的促进我国自动化产业的快速发展。 e p a 解决了通信确定性和实时性、总线供电、互可操作、可靠性与抗干扰性、 网络安全等关键技术；e p a 直接应用于商用以太网技术和通信芯片，无需专用以 太网通信芯片，极大的保证了e p a 的开放性和使用方便性1 。 因此，通过e p a 在运动控制中的应用研究，解决e p a 在运动控制中应用所 需的关键技术，诸如高速性能、精确同步性能、高可靠性，满足运动控制所要求 的规定指标，形成具有自主知识产权的运动控制总线技术，从而使e p a 技术在 浙江大学硕士学位论文基于e p a 的分布式数控系统 运动控制领域的应用具有更高速更可靠的性能，并一举突破国外的技术壁垒，达 到甚至超越国际运动控制技术。 1 2 国内外的应用和发展情况 1 2 1 国内研究与应用情况 中国运动控制技术的发展和应用与国外先进国家之间存在着较大的差距，在 西方，运动控制( 也即位置或速度的自动控制) 从上世纪4 0 年代的高射炮控制 和m i t n c 控制技术算起已经连续发展了约6 0 年左右，运动控制技术已经发展 到无所不在的程度。在西方的工厂里已经很少有批量的手工操作( 如有也已经或 快要搬到中国) ，制造业的工作主要由带运动控制功能的自动化机器完成。但西 方的运动控制行业仍在不断发展，主要是由于i t 技术的发展，导致产品的技术 升级尤其是智能化提高。在中国，运动控制技术的发展主要是近十年的事，应用 普及还在初始阶段，技术水平大约落后西方2 0 年左右，而应用普及性相当于西 方4 0 年前的水平。由于经济发展水平的原因，中国市场现在强调的主要是性价 比和稳定性，而西方本行业的竞争已是智能化和数据通讯功能方面。很明显，中 西方差距缩小。由于市场需求越来越苛刻而竞争越来越激烈，这些差距将会自然 缩小。 从应用角度和发展趋势来看，运动控制领域存在两大趋势： ( 1 ) 伺服驱动大型化 原先几年伺服驱动集中在1 2 k w 的情况己基本改变，1 0 k w ，3 0 k w 的伺服 已不再冷门。 ( 2 ) 伺服驱动普及化 由于伺服技术的价格下降和制造业工艺要求的提高，原来未用伺服驱动的场 合也开始大量用伺服驱动，比如机床主轴驱动。 运动控制作为自动化技术的一个重要分支，在2 0 世纪9 0 年代，国际上发达 国家，例如美国已经进入快速发展的阶段。由于有强劲市场需求的推动，运动控 制技术发展迅速，应用广泛。近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运 动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接 受，并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模。 具体到总线技术的应用方面看，现在，自主研发的较少。最近，华中数控展 出了名为“世纪星”以太网数系统，同步精度约为1 u s ，参考s e r c o s 总线的协 4 浙江大学硕士学位论文基于e p a 的分布式数控系统 议；大连数控也打出了1 0 0 m 高速实时网络，采用串行连接，由松下公司提供协 议，合作开发。除此之外，国内大部分数控系统研究与开发还只是传统的模拟或 脉冲信号传输。 从我国的经济发展的情况来看，通用运动控制器的应用和市场仅仅是刚刚启 动。与美国和欧洲发达国家相比，我国在运动控制器技术开发上政府的投入很少， 在该领域没有形成统一的产品标准。高等院校的教育还没有跟上，没有培养出一 大批能够开发和应用运动控制器的人才。例如，固高科技公司在市场推广过程中 碰到的最大困难就是国内的系统集成商和设备制造商缺乏应用工程师。使得运动 控制器的应用工作受阻，售后技术支持难度加大。 1 2 2 国外研究与应用情况 智能化、网络化、信息化、开放性成为未来数控系统和数控机床发展的主要 趋势： ( 1 ) 向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展； ( 2 ) 向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展； ( 3 ) 向p c - b a s e d 化和开放性方向发展； ( 4 ) 机械加工向虚拟制造的方向发展； ( 5 ) 信息技术( i t ) 与机床的结合，机电一体化先进机床将得到发展； ( 6 ) 纳米技术将形成新发展潮流，并带来数控系统和数控机床新的突破； ( 7 ) 节能环保机床将会加速发展； ( 8 ) 全可靠的数控机床将得到用户的青睐。 在国外基于以太网标准的运动控制和数控机床得控制技术主要有： ( 1 ) s e r c o s i i i 在过去运动控制领域一直使用由i g s 集团开发的专用现场总线s e r c o s fs e r i a lr e a lt i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 接口。近来，由于实时扩展技术的突破， 实时以太网已延伸至运动控制领域，从而成为能覆盖整个工业自动化领域的网络 技术。与此同时，s e r c o s 串行实时通信系统也将发展为s e r c o s 第三代串 行实时通信系统，第三代s e r c o s 是采用以太网技术标准来扩展现有的 s e r c o s 标准。由于s e r c o s i i i 采用t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 时 间片通信机制，所以s e r c o s h i 实时以太网的实时性在运动控制领域仍处于 领先水平”1 。 ( 2 )p r o f i n e t 浙江大学硕上学位论文摹于e p a 的分布式数控系统 p r o f i b u s 国际组织宣布，该组织在p r o f i n e t3 0i r t 版本基础上，开始 为高动态运动控制应用开发一个高性能的实时解决方案，这个解决方案采用标准 的以太网媒介，可兼容的协议以及能嵌入交换机和协议的a s i c ( 专用集成电路) ， 从而保证实时性和确定性。p r o f i b u s 国际组织也正在采用步骤来开发一种称为 p r o f i n e t 版本3i r t 的新的运动控制联网标准。按照p r o f i b u s 组织的说法， 这种等时的实时解决方案( i r t ) 满足高性能运动控制应用在性能和时钟同步方 面的所有要求。可达到的性能是：一次控制1 5 0 个轴并且循环时间为l m s 时， 其抖动小于l 微妙。该组织还声称，p r o f i n e tv 3 与目前任何其他可提供的解 决方案相比，它的功能更为强大，并且与t c w i p 标准完全兼容。 ( 3 ) e t h e r n e tp o w e r l i n k e t h e r n e tp o w e r l i n k 由e p s gf e t h e r n e tp o w e r l i n ks t a n d a r d i z a t i o n g r o u p ，e t h e r n e tp o w e r l i n k 标准化组织) 管理，这是一个面向自动化领域最终 用户，制造商及研究机构的开放组织口”。其目的是提供开放的工业以太网标准； 此标准使微秒级的实时响应，高可用性及安全机制成为可能。目前，e p s g 协会 的会员包括a b b 机器人公司、阿尔斯通公司( a l s t o n ) 、a l t e r a 、b o l d o r 、贝加莱 公司( b & r ) 、赫斯曼公司( h i r s c h m a n n ) 、k u k a c o n t r o l s 、k ws o f t w a r e 、l e n z e 、 倍加福公司f p e p p e r l + f u c h e s ) 矛f l 利乐公司( t e t r a p a k ) 等。e t h e r n e t p o w e r l i n k 所支持最快网络循环时问是约4 0 0 a s ，因此能够与a c o p o s 驱动 控制周期保持同步。在一个4 0 0p s 循环中，大约8 个工作站能够完全同步工作， 而1 0 个工作站的同步周期约为5 0 0 a s ，3 0 个工作站时约为l m s 。广播机制用于 与a c o p o s 驱动保持同步，这样所有工作站在每个网络循环都能接收相应的指 定数据。单纯网络抖动低于l p s ，相比之下5 0 0 k p s 的c a n 中相应的值是约2 5 4 p s 。 1 3 本论文的任务和结构 1 3 1 本论文的任务 前面讲到，这次设计的系统是在中控电气公司的c c i s m o1 2 2 t 型数控系统 的基础上改进的，使系统由传统的脉冲信号升级成e p a 总线技术。首先对现有 的总线技术进行研究，通过比较和学习，弄清楚现有总线技术各种指标和需求， 然后，对e p a 协议用于运动控制的可行性分析，较详细的讲述确定性、同步性 能和通信周期等。然后就是硬件设计，具体是使操作面板和驱动器带有以太网接 口，因此，在主机模块端，通过e b u s 接口和设计的通信模块进行数据交互； 6 浙江大学硕上学位论文 基于e p a 的分布式数控系统 然后，设计一个可以使数字信号的以太网宝转换为作为驱动器输入的脉冲信号的 嵌入式转接电路板。同时，由于数控系统己趋向模块化、软件化的方向发展，因 此，开展了基于a r m 的插补算法的研究与设计，这也是自主研发运动控制芯片 的开端。 本论文的创新成果主要为： ( 1 ) 设计和开发针对电气公司的操作面板的带有e p a 接口的通信模块： ( 2 ) 设计和开发针对电气公司的伺服驱动器的嵌入式转接电路板； ( 3 ) 基于a r m 的目标点跟踪算法的圆弧插补研究与实现。 本论文的任务，分为两大块：第一，课题的研究情况，包括现在主要的运动 控制总线技术的研究与总结和e p a 协议通信特点以及对运动控制通信的要求分 析，前者是在论文的第二章进行详细描述，后者是在第三章进行阐述：第二，具 体的设计情况，分为硬件设计和软件设计，以及结果和展望，这是本论文的重点， 这一部分分别在论文的第四、第五和第六章展开。 硬件设计中主要讲述通信模块的设计和嵌入式信号嵌入式转接电路板的设 计，软件设计中主要讲述通信模块与主机模块数据的交互、p c 上位机软件的设 计、以太网数据通信的实现以及基于a r m 的目标点插补算法的实现。演示结果 由系统实验情况和目标点跟踪算法的仿真结果两部分，同时总结了设计中的经验 并提出了一些改进的意见和解决方案。 1 3 2 本论文的结构 本论文第一章首先分析了课题的研究背景，并深入研究国内外的应用和研究 情况，接下来第二章着重介绍了几种先进的运动控制总线技术，如s e r c o s 总 线，c c l i n k 总线，p o w e r l i n k 总线，p r o f i n e t 总线等，然后第三章针对数控 系统通信的要求，结合e p a 协议的通信特点，就实时性，同步性以及e p a 灵活 的组网技术等做了可行性的需求分析；第四章讲述了系统总体介绍，主机通信模 块和可嵌入驱动器的嵌入式转接电路板的硬件构成；第五章讲述软件实现，重点 讲到带有d p r a m 的通信模块数据交互，以太网数据传输的实现以及直线和圆弧 插补算法的实现；最后，第六章讲述结果和后续开发工作，以及存在的问题和建 议。 7 浙江大学硕士学位论文 基于e p a 的分布式数控系统 第2 章几种流行的数控系统总线技术 2 1s e r c o s 总线 s e r c o s ( s e r i a lr e a lt i m ec o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 是一种专门用于数字 伺服和传动系统的现场总线接口和数据交换协议，能够实现工业控制计算机与数 字伺服系统、传感器和可编程控制器l o 口之间的实时数据通信。1 9 9 5 年s e r c o s 接口协议被确立为国际标准i e c 6 1 4 9 1 ，成为目前专门用于数字伺服和传动数据 通信的唯一国际标准“。 s e r c o s 接口由一个主站( m a s t e r ) 和若干个从站( s l a v e ，1 2 5 4 个伺服、 主轴或p l c 1 0 ) 组成，各站之间采用光缆联接，构成环形网，见图2 1 。站间 的最大距离为8 0 m ( 塑料光纤) 或2 4 0 m ( 玻璃光纤) ，最大从站数为2 5 4 ，数 据传输率为2 m b i t s 到1 6 m b i t s 。 图2 - 1s e r c o s 系统硬件结构 s e r c o s 协议通信数据包采用高级数据链路控制规程国际标准( h d l c ) 。 图2 2 为s e r c o s 系统的工作时序，周期时间t s c y c 为0 0 6 2 ，0 1 2 5 ，0 2 5 ，0 5 ， l ，2 ，3 ，6 5 m s 可选，主要取决于控制方式和从站数量。s e r c o s 协议采用 时分多址t d m a 工作方式，在周期性运行阶段，主站以固定的周期广播发送主 站同步电报m s t ，表示一个通讯周期的开始。所有从站将同时接收到m s t ，并 浙江大学硕上学位论文 基于e p a 的分布式数控系统 以此为基准，在预定的时刻t i x 发送伺服电报a t x 给主站。在t 2 时刻，主站 广播发送主站数据电报m d t 给各从站。m d t 中包含了给所有从站的指令数据， 由从站到指定位置读取各自的数据“。 图2 - 2s e r c o s 工作时序 协议共定义了3 种数据类型： ( 1 ) 主站同步电报m s t 由主站以固定周期发向所有从站，表示一次通信周期开始，所有从站都将接 收到本数据，主站通过m s t 数据控制s e r c o s 接口的同步运行，实现命令执行 和状态反馈的同步性畔l ； ( 2 ) 伺服电报a t 由各个伺服从站发往主站，可将多种伺服信息实时反馈给主站，如：伺服轴 实际位置、转速、扭矩，报警信号，诊断信号，状态应答信号，伺服参数和p l c 输入状态等。 ( 3 ) 主站数据电报m d t 由主站广播发给各从站，向从站发出控制指令，如：伺服轴指令位置、转速、 扭矩，工作方式选择，行程极限，速度极限，扭矩极限，电机参数，伺服参数和 p l c 输出等。各个从站均能接收到此电报，并在预先约定好的位置找到各自的数 据“。 s e r c o s 协议规定，系统在初始化阶段，主站必须完成网络通讯参数的配置 ，主要包括：系统通讯周期t s c y c ，各个伺服电报a t x 的发送时间t 1 1 、t 1 2 、 t 1 n ，主站数据电报m d t 的发送时间t 2 ，各个从站控制数据m d t x 在m d t 数 9 浙江大学硕士学位论文 基于e p a 的分布式数控系统 据区中的位置和m d t 的长度等。系统初始化需要四个阶段，以上数据必须在规 定的阶段由主站采用服务通道方式完成配置1 。 2 2c c l i n k 总线 2 2 ic c l i n k 技术背景和c l p a 在1 9 9 6 年1 1 月，以三菱电机为主导的多家公司以“多厂家设备环境、高性 能、省配线”理念开发、公布和开放了现场总线c c l i n k ”1 ，第一次正式向市场 推出了c c l i n k 这一全新的多厂商、高性能、省配线的现场网络。并于1 9 9 7 年 获得日本电机工业会( j e m a ) 颁发的杰出技术成就奖。c c “i l k 是c o n t r o l & c o m m u n i c a t i o nl i n k ( 控制与通信链路系统1 的简称。即：在工控系统中，可以将 控制和信息数据同时以1 0 m b p s 高速传输的现场网络。c c l i n k 具有性能卓越、 应用广泛、使用简单、节省成本等突出优点。作为开放式现场总线，c c 。l i n k 是 唯一起源于亚洲地区的总线系统，c c l i n k 的技术特点尤其适合亚洲人的思维习 惯。于1 9 9 8 年，汽车行业的马自达、五十铃、雅马哈、通用、铃木等也成为了 c c l i n k 的用户，而且c c l i n k 迅速进入中国市场1 9 9 9 年，销售的实绩已超过 1 7 万个节点，2 0 0 1 年达到了7 2 万个节点，到2 0 0 1 年累计量达到了1 5 0 万，其 增长势头迅猛，在亚洲市场占有份额超过1 5 ( 据美国工控专业调查机构a r c 调查) ，受到亚、欧、美、日等客户的高度评价。 为了使用户能更方便地选择和配置自己的c c l i n k 系统，2 0 0 0 年1 1 月， c c l i n k 协会m 1 ( c c l i n k p a r t n e r a s s o c i a t i o n 简称c u a ) 在日本成立。主要负 责c c l i n k 在全球的普及和推进工作。为了全球化的推广能够统一进行，c l p a ( c c l i n k 协会) 在全球设立了众多的驻点，分布在美国、欧洲、中国、中国台 湾、新加坡、韩国等国家和地区，负责在不同地区在各个方面推广和支持c c l i n k 用户和成员的工作。 c l p a 现在有 w o o dh e a d ”、“c o n t e c ”、 d i i g i t a l ”、n e c ”、“松下电工”、“i d e c ” 和“三菱电机”等7 个常务理事会员。到2 0 0 2 年4 月底，c l p a 在全球拥有2 5 0 多家会员公司，其中包括浙大中控、中科软大等等几家中国大陆地区的会员公司。 2 2 2c c - l i n k 的通讯原理 c c l i n k 的底层通讯协议遵循r s 4 8 5 ，c c l i i l k 提供循环传输和瞬时传输2 种通信方式邮1 。一般情况下，c c l i n k 主要采用广播一轮询( 循环传输) 的方式 1 0 浙江大学硕士学位论文基于e p a 的分布式数控系统 进行通讯。具体的方式是：主站将刷新数据( r y r w w ) 发送到所有从站，与此 同时轮询从站1 ；从站1 对主站的轮询作出响应( r x ，r w r ) ，同时将该响应告知 其它从站；然后主站轮询从站2 ( 此时并不发送刷新数据) ，从站2 给出响应， 并将该响应告知其它从站：依此类推，循环往复。广播轮询时的数据传输帧格 式请参照图2 - 3 ，该方式的数据传输率非常高1 1 9 1 。除了广播一轮询方式以外， c c l i n k 也支持主站与本地站、智能设备站之问的瞬时通讯。从主站向从站的瞬 时通讯量为1 5 0 字节数据包，由从站向主站的瞬时通讯量为3 4 字节数据包。 f ffal ai b | bcfff 1 附 d a t a ( m a x9 1 8 b y t o ( a ) 标准帧格式( m a x9 3 0 b y t e ) fffaa ；| b 2r 2 5 6 w w ( i g a x5 1 2 b y t e ) efff 12 ( b ) 主站的轮询、刷新数据 fff 北 ? f 2r 1 弼f ( m 3 2 b 娴 cf f f ( c ) 来自从站的晌应数据 圈2 - 3c c l i n k 帧格式图 所有主站和从站之间的通讯进程以及协议都由通讯用l s i m f p ( m i t s u b i s h if i e l dn e t w o r kp r o c e s s o r ) 控制，其硬件的设计结构决定了 c c l i n k 的高速稳定的通讯。 除了广播轮询式的循环通讯方式外，c c 一“n k 还提供主站、本地站及智能设 备站之间的信息瞬时传送功能。信息从主站传递到从站，信息数据将以1 5 0 字节 为单位分割，并以1 5 0 字节传递。若从从站传递到主站，每批信息数据最大为 3 4 字节。瞬时传送需用专门指令来完成，但不影响循环通信时间。 一般工业控制领域的网络分为3 到4 个层次，分别是上位的管理层，控制层 和部件层。部件层也可以再细分为设各层和传感器层，c c l i n k 是一个以设备 层为主的网络，周时也可以覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感器层。 c c u 【1 1 ( 提供循环传输和瞬时传输2 种方式的通信。每个内存站循环传送数 据为2 4 字节，其中8 字节( 6 4 位) 用于位数据传送，1 6 字节( 4 点r w r 、4 点r w w ) 用于字传送。一个物理站最大占用4 个内存站，故一个物理站的循环 传送数据为9 6 个字节。 浙江大学硕j j 学位论文基于e p a 的分布式数控系统 对于c c l i n k 整个网络而言，其循环传输每次链接扫描的最大容量是2 0 4 8 位和5 1 2 字。在循环传输数据量不够用的情况下，c c l i n k 提供瞬时传输功能， 可将9 6 0 字节的数据，用指令传送给目标站。 c c l i n k 在连接“个远程1 ( 9 站、通信速度为1 0 m b p s 的情况下，循环通 信的链接扫描时间为3 7 毫秒。稳定快速的通信速度是c c l i i l l ( 的最大优势。 2 2 3c c l i n k 的网络结构 现场总线c c l i n k 的一般系统构成如图2 - 4 所示： 图2 - 4c c - l i n k 系统构成 一般情况下，c c l i n k 整个一层网络【1 9 1 可由1 个主站和6 4 个子站组成，它 采用总线方式通过屏蔽双绞线进行连接。网络中的主站由三菱电机f x 系列以上 的p l c 或计算机担当，子站可以是远程f o 模块、特殊功能模块、带有c p u 的 p l c 本地站、人机界面、变频器、伺服系统、机器人以及各种测量仪表、阀门、 数控系统等现场仪表设备。如果需要增强系统的可靠性，可以采用主站和备用主 站冗余备份的网络系统构成方式。采用第三方厂商生产的网关还可以实现从 c c “n k 到a s i 、s l i i l l 【、u n i t - w i r e 等等网络的连接。 c c l i n k 具有高速的数据传输速度，最高可以达到1 0 m b p s ，其数据传输速 度随距离的增长而逐渐减慢，传输速度和距离【2