面向注塑機的RTEX型嵌入式伺服控制器設計

焦文潭，布 挺，張 剛

（洛陽理工學院 電氣工程與自動化學院，河南 洛陽471023）

脈沖型伺服控制系統由于成本低、技術成熟，普遍應用于注塑機（瓶胚、快餐盒）配套機械臂。隨著行業發展，塑機行業對機械臂的要求出現兩個趨勢：第一，由追求工作速度變為速度和柔性控制并重。在業內利用脈沖型伺服控制系統將伺服電機超出額定轉速工作，以配合注塑機[1]提高產能，但也導致機械臂出現動作柔性差、手臂振動等缺點。第二，對控制系統通用性要求高。注塑行業機械臂分為標準機和非標機。標準型包含2軸系統和3軸系統。即使如此，最早應用于標準機的基于MCU PWM技術的控制板卡也分為2軸配套控制卡、3軸配套控制卡，系統軟硬件均有所區別，而基于專用芯片設計的脈沖型控制系統一般最多支持4軸，如MCX312（2軸）、MCX314（4軸）。非標性設備軸數機械結構較復雜，通常都在3-5軸（如膜內貼標機）甚至更多，脈沖型控制系統通用性差，給培訓、調試、維護及售后帶來了極大的不便，總線型控制系統的優勢就凸顯出來。近五年，各種總線型控制系統已經在業內高端機上尤其是非標準機上推廣應用。

1 設計原理

RTEX協議[2-3]是Panasonic公司針對其A5N（包含A6N）系列交流伺服產品開發的具備高度實時性的通訊協議（通信基礎：100base-TX，全雙工：100Mb/s）。與Ethernet[4]相比，RTEX協議突出通信的高效性，簡化的數據包更利于通信的實時性。RTEX協議的系統拓撲為環形結構。該協議支持采用4種通信周期（A5N支持4種，A6N進一步擴展）：0.0833ms、0.1666ms、0.5ms、1.0ms。協議通信支持2種數據包：16Byte和32Byte。工作模式支持4種 ：PP Mode、CP Mode、CV Mode、CT Mode。 由 于RTEX協議采用網路傳輸、環形配置，最多可擴展32軸（受MNM1221內部映射寄存器限制）。

2 系統設計

Maste（r主控系統）板卡主要包含：核心電路（Core control bank）、歐規注塑機交互接口區（European 67 standard）、擴展I/O區（I/O bank）以及電源等輔助電路。

2.1 主控系統

主控制器采用PIC24FJ256DA210。主控板卡的核心電路由PIC MCU、MNM1221、PHY（以太網）以及Pulse Transforme（r脈沖變壓器）構成。PIC與驅動器之間的通信通過板卡的MNM1221與A5N驅動器構建環形拓撲[5-6]，建立實時系統。

MNM1221是MCU與A5N驅動器連接的紐帶，負責發送主控器（Master）的命令數據并接收驅動器（Slave）的反饋數據。

2.2 交互信號

主控板卡的交互信號結合工藝流程[7]可分為兩類：（1）與注塑機交互接口。依據注塑行業歐規67標準，設計主控板卡與注塑機電腦的交互信號。（2）擴展I/O區。擴展通用16路Input、16路Output。交互信號通過總線管理芯片及端口管理芯片受PIC MCU控制?？刂瓢蹇〝U展通用I/O：16路輸入、16路輸出，與MNM1221共用數據總線。由于主控板卡通信周期為0.5ms，在控制伺服過程中，每0.1ms（NC operate cycle）與環路的伺服驅動器進行一次數據交換。因此，所有通用I/O均通過總線管理芯片統一管理，防止I/O信號干擾伺服通信。在一個指令更新周期，對I/O狀態的使能、讀取與輸出在完成伺服數據交互之后進行。

2.3 軟件系統

系統軟件主要劃分為兩部分：（1）對MNM1221狀態的控制。（2）系統動作指令的發送、反饋及伺服狀態監測與上傳（HMI）。

對MNM1221的控制是系統正常工作的關鍵。系統在進入運行（MNM1221-Running）狀態后，一條指令的執行需要經歷二個環節：MCU-MNM1221-A5N。因此，每一個通訊周期的中斷事件中，首要任務就是與MNM1221數據交換，即MCU發送指令數據包、接收并檢測驅動器的反饋數據（包含：指令碼和狀態字等信息）。與伺服通信的關鍵控制流程[8]如圖1所示。

圖1 伺服通信控制流程圖

3 分析和測試

3.1 硬件測試平臺

搭建硬件平臺進行測試。平臺驅動器選擇A5N驅動器（型號：MADTH1507NA1）。硬件測試平臺主要組件如圖2所示。

圖2 硬件平臺組件（控制板卡、驅動器）

3.2 定位測試

在測試過程中，通過PANATERM監測0號軸（A5N驅動器MACID：0）的狀態，如圖3所示。

圖3 定位測試曲線

在定位測試中，命令數據包中位置指令是指令位置：0x7FFF（指令單位），目標速度為3000r/min，加減速度設為500（指令單位）/s2。通過實驗所得波形曲線可以看到，0號軸實速度曲線與指令速度曲線有良好的相似性，說明實速度對指令速度有很好的跟隨性。

4 結束語

本文作者面向注塑行業應用，設計了一款總線型伺服控制板卡?？刂破髋c驅動器的通信采用RTEX協議，可支持Panasonic的A5N、A6N系列伺服。通過硬件平臺測試驗證：系統通信可靠、控制效率高、動作柔性好，驗證了系統的可靠性和實用性、在此基礎上，系統需要進一步完善安全機制，設計基于RTEX協議的I/O板，為現場帶載調試提供支撐。