摘要：本文旨在介紹EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器在總線(xiàn)型數(shù)控上的應(yīng)用，同時(shí)為客戶(hù)提供一套完整的基于PowerLink總線(xiàn)的數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)解決方案。

1.前言

國(guó)內(nèi)數(shù)控產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過(guò)了20多年的時(shí)間，一直都采用脈沖或者模擬量控制的方式，隨著中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)水平的提升，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)提出了新的要求，加工精度要求越來(lái)越高，加工效率要求的提升，而且需要系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)潔，配線(xiàn)方便。

只支持脈沖或者模擬量控制的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)面臨如下六大技術(shù)的挑戰(zhàn)：

A.非總線(xiàn)型數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜：

非總線(xiàn)型數(shù)控系統(tǒng)，每個(gè)軸端子的硬件接口對(duì)應(yīng)一個(gè)伺服軸，如果數(shù)控系統(tǒng)需要采用8軸以上的配置，數(shù)控系統(tǒng)的軸端子的硬件接口設(shè)計(jì)將會(huì)非常復(fù)雜，所以，非總線(xiàn)型數(shù)控系統(tǒng)最高配置一般也就是8個(gè)軸，更多配置的軸更多采用總線(xiàn)設(shè)計(jì)的方案；

B.非總線(xiàn)型數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)高分辨率編碼器的發(fā)展：

為了達(dá)到更好的光潔度，伺服驅(qū)動(dòng)器都會(huì)采用高分辨率的編碼器，例如，邁信電氣的MAL/MSL伺服電機(jī)都可以選配23bit增量式編碼器/23bit絕對(duì)式編碼器，這樣單圈8,388,608脈沖的高分辨率編碼器的優(yōu)勢(shì)就得不到充分的發(fā)揮；如果伺服電機(jī)工作在3000rpm的速度下，每秒鐘的脈沖輸入將會(huì)是419,430,400?，F(xiàn)有的脈沖輸入或者編碼器反饋接口，系統(tǒng)的輸出脈沖或者輸出編碼器將會(huì)是400M以上的頻率，這個(gè)是現(xiàn)有的高速脈沖4M輸入所不能實(shí)現(xiàn)的；

C.非總線(xiàn)型數(shù)控系統(tǒng)抗干擾能力差：

脈沖型接口由于接口器件的限制，在高速脈沖輸入時(shí)，存在電氣系統(tǒng)存在干擾時(shí)，容易丟失脈沖，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確；模擬型接口存在接口設(shè)計(jì)復(fù)雜，溫度漂移，接口成本高等特點(diǎn)；

D.非總線(xiàn)型系統(tǒng)的配線(xiàn)繁瑣

數(shù)控系統(tǒng)的脈沖型控制接口，一般都是15芯的接線(xiàn)端子，模擬量控制接口，需要更多芯的接線(xiàn)端子，對(duì)于多軸應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的配線(xiàn)非常復(fù)雜，系統(tǒng)配線(xiàn)與安裝工作都會(huì)成為電氣控制系統(tǒng)的很大一部分工作；

E.非總線(xiàn)型系統(tǒng)的性能非常受制約

非總線(xiàn)型數(shù)控系統(tǒng)，其控制接口只能傳遞位置信號(hào)或者速度信號(hào)與編碼器反饋信號(hào)，不能將數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算的速度前饋，轉(zhuǎn)矩前饋，電流前饋等前饋信息有效的傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)器，不能有效的提高伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬；

F.非總線(xiàn)型系統(tǒng)的診斷能力有限

非總線(xiàn)型數(shù)控系統(tǒng)，其控制接口可以傳遞有限的伺服驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)信號(hào)，數(shù)量非常有限，對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電流，內(nèi)部轉(zhuǎn)矩，內(nèi)部溫度，等等信號(hào)傳遞信息非常有限，不適合系統(tǒng)的在線(xiàn)診斷以及故障預(yù)維護(hù)。

總而言之，總線(xiàn)型數(shù)控系統(tǒng)是必然。POWERLINK是一項(xiàng)開(kāi)源技術(shù)，是工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一，在已建立的全球性標(biāo)準(zhǔn)Ethernet基礎(chǔ)上提供了卓越的性能和實(shí)時(shí)性。POWERLINK技術(shù)以100Mbps的通訊速率、最小100μs的循環(huán)周期、小于1μs的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，將MC、CNC和機(jī)器人等通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。

2.EP3E產(chǎn)品簡(jiǎn)介

EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器是最新一代支持POWERLINK總線(xiàn)的伺服產(chǎn)品，電壓等級(jí)涵蓋220V與380V，功率等級(jí)涵蓋100w到7.5kw，可以支持多種高精度增量式編碼器與絕對(duì)式編碼器，包括23bit邁信增量式編碼器，17bit/23bit多摩川絕對(duì)式編碼器，17bit/20bit尼康絕對(duì)式編碼器，非常適合用于高精度運(yùn)動(dòng)控制。

EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器支持邁信MSL/MAL的伺服電機(jī)，通過(guò)配套MSL/MAL低齒槽轉(zhuǎn)矩的，速度環(huán)響應(yīng)可以達(dá)到1.6kHz。配套邁信電氣的MSL/MAL伺服電機(jī)，EP3E可以滿(mǎn)足CNC市場(chǎng)高速高精加工的要求。

圖片1EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器圖片

EP3E是國(guó)內(nèi)首家通過(guò)EPSG組織的一致性測(cè)試的POWERLINK伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，因此可以很好的與國(guó)內(nèi)各大廠家的具有POWERLINK接口的CNC控制器進(jìn)行配合；同時(shí)，EP3E內(nèi)置的電流環(huán)，速度環(huán)，以及位置環(huán)的控制周期分別為50us,100us,100us，支持實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線(xiàn)的抖動(dòng)同步調(diào)整技術(shù)，可以充分滿(mǎn)足MC，CNC，robotics對(duì)于動(dòng)態(tài)響應(yīng)和同步性的要求。

EP3E產(chǎn)品支持的工作模式，ProfilepositionMode，HomingMode，CyclicSynchronousVelocityMode，CyclicSynchronousPositionMode，InterpolatedPositionMode等模式。

3.EP3E對(duì)數(shù)控行業(yè)產(chǎn)業(yè)的提升

3.1伺服通信周期減小，數(shù)控插補(bǔ)周期減小

圖2高性能的POWERLINK提高插補(bǔ)性能

POWERLINK高性能的通訊方式，可以提高插補(bǔ)周期的性能，降低插補(bǔ)周期的時(shí)間，可以將待加工的曲面或者曲線(xiàn)的輪廓描敘的更加精確，精度更高。

EP3E可以接受100us的通訊周期的位置更新，可以達(dá)到

3.2伺服通信抖動(dòng)降低，伺服同步性能提高

圖3EP3E伺服電流環(huán)POWERLINK總線(xiàn)同步抖動(dòng)為50ns

圖中右邊兩個(gè)信號(hào)為，伺服1，伺服2同時(shí)進(jìn)入電流環(huán)控制的抖動(dòng)時(shí)間差為50ns，EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器電流環(huán)與POWERLINK同步幀的同步抖動(dòng)時(shí)間在50ns以?xún)?nèi)，EP3E完全滿(mǎn)足高性能插補(bǔ)對(duì)插補(bǔ)低抖動(dòng)的要求。

3.3伺服位置環(huán)均勻細(xì)分?jǐn)?shù)控插補(bǔ)周期數(shù)據(jù)

EP3E的電流環(huán)控制周期為50us，速度環(huán)與位置環(huán)為100us，而通訊周期一般為400us的倍數(shù)，或者，500us的倍數(shù)，EP3E可以采用位置連續(xù)，速度連續(xù)，加速度連續(xù)等三種方式，通過(guò)位置環(huán)來(lái)細(xì)分通訊周期的位置數(shù)據(jù)給定。

圖3EP3E伺服支持線(xiàn)性插值，保持位置連續(xù)

圖3EP3E伺服支持二次插值，保持速度連續(xù)

圖3EP3E伺服支持三次插值，加速度連續(xù)

EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器具備三種模式:線(xiàn)性插值,二次插值,三次插值,默認(rèn)配置為三次樣條插值后給位置環(huán),提高驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的平滑;CNC與機(jī)器人行業(yè)對(duì)加工光潔度要求高,所以配合CNC與機(jī)器人控制器內(nèi)置的加減速與EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的三次樣條插值方法,可以達(dá)到最佳的加工效果。

4.EP3E系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

對(duì)于EP3E參數(shù)的配置主要有：

與POWERLINK相關(guān)的參數(shù)設(shè)置：

P300：POWERLINK站號(hào)，站號(hào)為1-254；

P304：0為普通模式，1為POWERLINK模式，使用POWERLINK設(shè)置為1；

P306：2為位置連續(xù)插值模式，1為速度連續(xù)插值模式，0為加速度連續(xù)插值模式，在CNC與機(jī)器人應(yīng)用中設(shè)置為2；

P307：0：接收增量位寬，1：接收絕對(duì)位置，與CNC設(shè)置一般為1；

P027、P028為齒輪比設(shè)置，二者乘積為編碼器分辨率時(shí)可保證較好的控制精度，對(duì)于17bits編碼器，可設(shè)置P027=8192，P028=16，對(duì)于23bit編碼器，可設(shè)置P027=8192，P028=1024。

5.系統(tǒng)組成

5.1系統(tǒng)硬件配置

基于POWERLINK總線(xiàn)的數(shù)控系統(tǒng)解決方案可以有效的解決：

A.數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，硬件上面只要一個(gè)POWERLINK網(wǎng)口即可，支持一網(wǎng)到底的技術(shù),將IO端子，EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備全部掛接在網(wǎng)絡(luò)上；

B.數(shù)控系統(tǒng)支持多種POWERLINK報(bào)文，方便支持EP3E所支持的高精度高分辨率的編碼器，有效提高金屬加工的光潔度；

C.數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)POWERLINK支持網(wǎng)絡(luò)重發(fā)機(jī)制，有效提高數(shù)控系統(tǒng)與EP3E之間通訊的可靠性；

D.數(shù)控系統(tǒng)支持的POWERLINK總線(xiàn)是一網(wǎng)到底的技術(shù)，非常方便EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器的安裝與配線(xiàn)；

E.數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)POWERLINK報(bào)文，非常有效的速度前饋，轉(zhuǎn)矩前饋，電流前饋等前饋信息傳遞給EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器；

F.數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)POWERLINK報(bào)文可以將EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電流，內(nèi)部轉(zhuǎn)矩，內(nèi)部溫度等等信息高效的傳遞；

5.2性能測(cè)試

通訊控制周期：

借助EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器與MSL/MAL的高性能伺服電機(jī)，CNC系統(tǒng)可以達(dá)到周期更短的插補(bǔ)周期，整體加工精度更高，加工速度更高。

6.結(jié)束語(yǔ)

武漢邁信電氣致力于為國(guó)內(nèi)外數(shù)控廠商提供PowerLink總線(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器，EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器在性能與功能上能夠滿(mǎn)足高檔總線(xiàn)CNC系統(tǒng)對(duì)伺服系統(tǒng)的要求，同時(shí)，價(jià)格上也沒(méi)有國(guó)外伺服驅(qū)動(dòng)器那么高昂，從而實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)CNC系統(tǒng)整體解決方案的PowerLink總線(xiàn)化升級(jí)，提高了產(chǎn)品的加工精度與加工速度，提升了國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)解決方案的整體競(jìng)爭(zhēng)力。