基于SERCOS—II的機床數控系統實時通信與同步控制探析

魏建國

摘要：文從sERCos一Ⅱ與機床數控系統的概述入手，隨后對基于sERCos一Ⅱ的機床數控系統實時通信及同步控制進行了研究。結果表明，基于SERCoS一Ⅱ的機床數控系統，可以實現實時通信與同步控制。

1.SERCOS II與機床數控系統概述

（1）SERCOS II

ICE61491中對SERCOS進行了如下定義，它是一種專門用于多控制器同步控制機械設備的數據傳輸協議標準。大量的實踐結果表明，采用SERCOS接口對數字伺服裝置以及控制單元進行連接，實現串行實時數據通信后，不但可以使接線和控制硬件獲得進一步簡化，而且調試也變得更加簡單方便，除了能夠確保各種數據信息的有效傳輸之外，如指令、參數等等，還能實現遠程控制。SERCOS以其自身優異的性能，獲得了世界各國機床生產制造商的認可。SERCOS II具有較高的傳輸速率，可以達到16Mbit/s，這給數據傳輸的實時性提供了可靠保障。通常情況下，在SERCOS II接口的系統當中，伺服回路在驅動器內全部處于閉合狀態，從而減輕了運動控制與驅動器間的傳輸效應，同時SERCOS II的通信周期長短可隨意設置，一般周期設定的越短，系統所能夠達到的實時性就越高。SERCOS II的通信機制為TDMA，傳輸方式為周期報文。

（2）機床數控系統

本文所要研究的機床數字化控制系統主要是由以下幾個部分構成：

1）主控制器模塊。該模塊具體負責管理系統總線，并完成相關任務的調配，如零件加工程序譯碼、刀具長度及半徑補償、加工軌跡粗插補等等。

2）運動控制器。這是機床實現軌跡規劃的核心模塊，其主要功能是識別及解釋數控加工程序，并通過計算對相關路徑進行規劃，完成支線與圓弧的加速、減速控制和精插補，對機床運動進行細化，傳輸各種運動指令，控制機床各個部分的動作協調運轉。

3）伺服系統。該系統由位置檢測反饋裝置、伺服驅動裝置等部件構成，它是機床運動的控制部分。

4）I/0模塊。具體負責限位開關、潤滑機構等輔助裝置的管理。

5）主軸伺服系統。其具體是由主軸傳動部、電動機、驅動控制裝置等幾個部分構成。通常情況下，機床數控系統是以PLC作為主軸電動機的驅動控制裝置，借助編碼器對主軸電動機的實時運行速度進行檢測，并將檢測結果傳輸給運動控制器，進而實現速度控制。

6）通信與人際接口模塊。主控制器與外界之間的實時通信是憑借通信模塊來實現的；LCD顯示器和操作鍵盤構成了人機接口模塊。

通過對機床數控系統的運行情況進行分析后發現，其存在以下幾點問題：其一，很難實現分布式控制；其二，難以實現相關指令的同步執行；其三，不具備自檢功能。為了有效解決上述幾點問題，可將SERCOS II引入到機床數控系統當中，下面本文就此展開詳細論述。

2.基于SERCOS II的機床數控系統實時通信及同步控制研究

為了實現機床數控系統的實時通信與同步控制，下面提出基于SERCOSⅡ的系統硬件與軟件設計。

（1）系統硬件設計

1）主站通訊接口電路設計。在整個系統當中主站為運動控制器，它的電路圍繞SERCONSl6（第二代SERCOS協議）、DSP以及FPGA構建平臺。在電路設計過程中，預留出一定的余地，這樣不但便于擴展，而且還有助于系統軟硬件的升級、改造。SERCON816芯片采用的是QFP技術，芯片共有100個引腳，整個通訊接口電路由DSP、FPGA、SERCON816芯片和光纖收發器等幾個部分組成。數據總線采用的是16位連接，并以5V電壓對SERCON816進行供電，寄存器與RAM采用的是組合的方法進行連接。

2）從站電路設計。數控系統伺服裝置的電機采用DSP+IPM的方式進行驅動控制，為達到機床數控系統的精度要求，在基于SERCOSⅡ接口的設計過程中，從站應當滿足以下三個條件：控制精度、與主站的同步性、自診斷能力。鑒于此，從站中SERCON816與DSP之間的連接方式應當與主站保持一致。

（2）系統軟件設計

軟件設計主要針對數控系統的主站與從站，并在程序設計的過程中，完成SERCOSⅡ光纖環路總線的初始化，其中具體包括如下幾個環節：寄存器與RAM配置及后期初始化配置。SERCOS II的通信模塊共分為三個層次，即物理層、鏈路層以及應用層，在軟件程序編寫的過程中，為便于修改將應用層細分為兩部分，一部分是底層接口，另一部分為應用程序，前者能夠為后者提供讀寫、控制、命令傳輸等功能。鏈路層主要是由SERCON816芯片將各類數據、參數等以報文的形式進行收發，物理層則負責通信連接。

1）主站接口軟件。主站利用對MHS的翻轉實現一個新節拍的開始，同時，伺服裝置從MDT發現MHS翻轉之后，其便會作出響應，并對主站發出的讀寫要求進行處理，以此來完成相關動作。而SERCOSⅡ的非周期性傳輸則是通過對MHS和AHS的節拍比較來實現同步與更新的。

2）從站接口軟件。從站的控制寄存器與RAM的配置基本上與主站相同，在初始化的過程中，從站在各個通信階段利用循環體的不斷掃描來實現MST電報的開始，并等待主站對服務通道進行使用。

（3）系統應用效果

本文基于SERCOS II設計的通信系統現已在某制造企業的數控加工中心上運行，它的應用實現了系統的分布式控制和指令同步執行，系統運行至今并未出現任何異常狀況，加工中心生產出來的工件精度符合產品要求。

3.結論

綜上所述，本文基于SERCOSⅡ對機床數控系統的實時通信與同步控制進行了研究，通過硬件和軟件設計，實現了機床的實時通信與同步控制，進一步提高了系統的實時性和可靠性。應用結果表明，可以滿足機床的加工精度要求，并且系統運行穩定，具有一定的推廣使用價值。

參考文獻

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