隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的日益成熟，美國、日本、歐洲相繼研制了融現(xiàn)場總線技術(shù)和100m以太網(wǎng)技術(shù)，plc技術(shù)，可視化人機接口技術(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)絡就是控制器。以太網(wǎng)系統(tǒng)總線就是現(xiàn)場總線，可連接到每個獨立的控制模塊。 為了適應現(xiàn)場總線新技術(shù)的發(fā)展，很多高校電氣類、電子類、機電一體化以及其它一些專業(yè)都相繼開設了《現(xiàn)代交流伺服控制》這門課程（注:教材已由清華大學出版社出版）。但是與這門課程配套的實驗設備與裝置數(shù)量還是很有限，這無疑對學生學習先進的自動控制技術(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)交流伺服實驗系統(tǒng)”。學生可以通過can總線和以太網(wǎng)構(gòu)建網(wǎng)絡實驗，完成諸如數(shù)據(jù)遠程采集、電機遠程控制與檢測等一系列基于現(xiàn)場總線的控制實驗。 實驗系統(tǒng)組成與工作原理 實驗系統(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)絡化教學用開放式伺服控制系統(tǒng)。 本設計的優(yōu)點: 解決了高?！冬F(xiàn)代交流伺服控制》這門課程的實驗課急需，有利于增強學習課程的感性認識，提高他們的動手能力，提高學習興趣; 改變了學生過去的現(xiàn)場控制的概念，有利于拓展視野; 不僅適用于高等學校機電一體化，電子電器，電氣自動化專業(yè)生產(chǎn)實習、課程設計的實驗研究，可作為電機類本科生及研究生的開放性試驗平臺，為其認識和掌握現(xiàn)代交流調(diào)速及伺服系統(tǒng)奠定必要的基礎(chǔ)，而且可直接運用于數(shù)碼雕刻、包裝機械、模具生產(chǎn)等工業(yè)生產(chǎn)應用場合。它構(gòu)成了一個遠程控制的伺服控制系統(tǒng)，通過微機編程，可進行多自由度、多機協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)高速、高進度、低震動等伺服特性，還可用于機器人控制、柔性制造業(yè)等領(lǐng)域; 可實現(xiàn)遠程控制、維修、診斷等，節(jié)約運行成本。 基于以太網(wǎng)和can總線的教學用交流伺服體系結(jié)構(gòu)[1]見圖1?？刂葡到y(tǒng)由上位計算機（1）、多軸運動控制器（2）、交流伺服驅(qū)動器（3）和交流伺服電機（4），其特征是多軸運動控制器（2）通過以太網(wǎng)或局域網(wǎng)與上位計算機（1）相連，交流伺服驅(qū)動器（3）之間以及交流伺服驅(qū)動器與多軸運動控制器（2）之間通過通過can總線相連，交流伺服驅(qū)動器（3）的輸出與交流伺服電機（4）相連。 [align=center] 圖1 基于以太網(wǎng)的伺服實驗設備系統(tǒng)[/align] 系統(tǒng)工作原理 上位計算機（1）通過接插支持tcp/ip協(xié)議的網(wǎng)絡通訊適配卡（100m）獲得對以太網(wǎng)總線的支持，負責對整個系統(tǒng)的運行和工作狀態(tài)進行監(jiān)視管理。上位計算 機（1）完成任務規(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)絡協(xié)議，通過can總線向交流伺服驅(qū)動器（3）發(fā)送控制命令，can節(jié)點解釋指令以后轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號，控制交流伺服電機（4）。由于集線器技術(shù)被集成在每個控制器中，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。整個過程或系統(tǒng)被看作為一個邏輯單元，甚至是一個獨立的控制器。不需考慮網(wǎng)絡的各層概念，而只形成為一個層，去除了cpu的瓶頸效應。所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中僅需表達一次，網(wǎng)絡扮演真正的服務器。 插補方案采用粗精兩級插補，由上位機進行粗插補，根據(jù)進給速度和加減速的要求計算出每個軸每個插補周期的位移量，并將位移量轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)送給多軸控制器，每個多軸控制器可以最多協(xié)調(diào)控制109個伺服電機，當然，也可以用can總線直接控制伺服驅(qū)動器，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的分析。 實驗的設計 基于以太網(wǎng)的交流伺服實驗系統(tǒng)已成功地在南京工業(yè)大學運動控制研究所中搭建完成，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，可廣泛應用于數(shù)碼雕刻，包裝機械，模具生產(chǎn)等工業(yè)生產(chǎn)應用場合，更適用于高等學校機電一體化，電子電器，電氣自動化專業(yè)學生（研究生）生產(chǎn)實習，課程設計等課程的實驗研究。并且開發(fā)了can總線基礎(chǔ)實驗、遠程控制實驗、交流伺服控制實驗、數(shù)控插補、運動軌跡設計等一系列實驗。所開發(fā)的各項實驗分為基礎(chǔ)實驗、擴展實驗、創(chuàng)新實驗三個層次。 下面通過遠程控制電機的系統(tǒng)實驗來具體說明本實驗系統(tǒng)的系統(tǒng)教學實驗設計。 基礎(chǔ)實驗 基礎(chǔ)實驗要求學生了解實驗的原理和過程，能獨立完成實驗指導書上要求的驗證實驗。學生通過實驗指導書的要求和步驟完成（如控制算法，觀察各種曲線軌跡插補過程，多電機同步控制及聯(lián)動參數(shù)調(diào)整，指導調(diào)整器參數(shù)設定，運動系統(tǒng)性能測試等）實驗達到驗證性，同時進一步了解實驗的原理和過程。 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)動器內(nèi)集成的是motorola公司開發(fā)的電機專用芯片dsp56f805。圖2為用dsp56f805[7][8][9]實現(xiàn)對三相永磁同步電機控制的實驗系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電機速度的閉環(huán)控制。電機位置的檢測采用的是“反電動勢過零檢測法”。其中，過零信號由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msk位實現(xiàn)。pwm模塊被設置為獨立模式，輸出頻率為16khz。程序既可以在dsp56f805 的內(nèi)部flash 中運行，也可以在evm 板上的外部ram 中運行，這可以通過在程序編譯時進行目標選擇。系統(tǒng)中的并口是用于進行程序目標代碼的下載。這樣，電機運行的啟停和速度調(diào)節(jié)控制既可以手工控制，也可以通過計算機進行訪問控制。 擴展實驗 擴展實驗則是在基本實驗的基礎(chǔ)上掌握實驗軟件的流程，熟悉完成本實驗的功能函數(shù)。本實驗對象是一個多電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),每個電機都由一個dsp56f805芯片來控制, 從而形成一個以dsp控制器為核心的以控制電機為目的的智能節(jié)點。然后，利用can總線將這些智能節(jié)點連接起來，最后通過以太網(wǎng)構(gòu)成遠程控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由計算機（pc機）、基于計算機的以太網(wǎng)信息管理終端（網(wǎng)卡）、嵌入式透明網(wǎng)關(guān)（多軸控制器）、交流伺服電機和具有dsp的交流伺服驅(qū)動器組成[6]。 學生通過實驗指導教師的講授掌握實驗軟件的流程并熟悉完成本實驗的功能函數(shù)，在軟件編譯環(huán)境下閱讀軟件代碼，通過運行函數(shù)function run（）來實現(xiàn)控制命令解釋，學生對實驗指導書上列舉的實驗，采用vc++開發(fā)曲線控制程序，實現(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:學生可以通過本地計算機（假設ip:10.0.0.23）完成遠程控制can控制器id=004的伺服電機順時針旋轉(zhuǎn)規(guī)定轉(zhuǎn)數(shù)的實驗，控制id=001號和id=002號的伺服電機協(xié)同工作畫重復圓的實驗。學生要先在實驗指導書上查閱到控制伺服電機的控制命令，然后自己按照實驗的要求得到控制命令，再按照實驗步驟發(fā)送控制命令，最后在ip地址為10.0.0.28計算機終端驗證實驗完成的正確性。 創(chuàng)新實驗 創(chuàng)新實驗是在前兩個實驗的基礎(chǔ)上，為了充分挖掘?qū)嶒灥臐摿团囵B(yǎng)學生的創(chuàng)新能力而開發(fā)的，要求學生針對實驗軟件自身的不足，通過修改程序代碼來改進實驗軟件。 對于更高層次的研究，學生可以開發(fā)各種數(shù)控加工的組件，對南工大現(xiàn)場總線控制軟件的不足部分或者自己在操作實驗中所發(fā)現(xiàn)的實驗軟件的問題進行改進。例如:軟件中沒有開發(fā)數(shù)控g代碼等，學生可以在學習了伺服電機的遠程控制代碼的基礎(chǔ)上，嘗試完成新功能的實現(xiàn)。這部分實驗相對難度較大，學生可以多人組成團隊并在實驗老師的指導下完成。 作為學生的課程設計，該實驗裝置預留了很多擴充接口，以備后續(xù)開發(fā)，比如現(xiàn)在很多重要的設備/場合都需要進行視頻監(jiān)控，以往的做法是通過ntsc/pal模擬信號送至中央監(jiān)控室，100個監(jiān)控點需拉100條同軸電纜[6]。若需要將現(xiàn)場的設備狀態(tài)反映在企業(yè)的管理級網(wǎng)絡中，則將上位機連入企業(yè)網(wǎng)內(nèi)，通過視頻卡數(shù)字化和視頻服務器實現(xiàn)視頻圖象在網(wǎng)上傳播。異地查看設備運行狀態(tài)也必須通過internet到企業(yè)網(wǎng)，再到與現(xiàn)場控制器緊密相連的控制系統(tǒng)的i/o服務器取數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在可以采用臺灣上尚公司推出了基于tcp/ip全數(shù)字化攝像機，由于學生在自己開發(fā)的軟件中已經(jīng)實現(xiàn)了tcp/ip控制，所以只需要在自己的軟件中增加相應的控件，就可以通過internet/intranet可以直接操控攝像機或者將實時視頻圖像和過程數(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教學用總線伺服系統(tǒng)，視頻遠程控制的目的。 圖2 基于dsp的電機調(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)合的實驗控制系統(tǒng)為交流伺服的網(wǎng)絡化研究和應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)成遠程控制網(wǎng)絡，can總線可以很好地滿足控制系統(tǒng)對實時響應的較高要求，同時使用can總線還使得系統(tǒng)具有很好的擴展性能。 nut總線伺服系統(tǒng)可進行多自由度的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)高速（3000r/min）、高精度（16384p/r）、低震動等伺服特性，該技術(shù)代表21世紀最新調(diào)速及伺服傳動控制，可應用于機器人控制、柔性制造業(yè)等領(lǐng)域。其開發(fā)的學生實驗系統(tǒng)，可提供電機電氣類本科生及研究生開放性試驗平臺，為其認識和掌握現(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，在設計時充分考慮學生的特點，開放性好，可結(jié)合教學要求，自行設計算法，強調(diào)學生的思考能力和動手能力，加深對理論的理解，同時考慮到教師的需要，為教師進行科研開發(fā)創(chuàng)造條件。該系統(tǒng)的研制成功，必將在21世紀的運動控制領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮重要的作用。