CN202583813U - 一种基于powerlink协议的总线式数控装置 - Google Patents

Abstract

一种基于POWERLINK协议的总线式数控装置，包括控制系统，交流异步主轴伺服驱动单元、交流异步主轴伺服电机及增量式编码器，交流永磁同步伺服驱动单元、交流永磁同步伺服电机及绝对式编码器，以及PLC，其特征在于，所述数控装置中，控制系统、交流异步主轴伺服驱动单元、交流永磁同步伺服驱动单元和PLC通过基于POWERLINK通讯协议的工业以太网总线连接，所述的工业以太网总线包括可编程逻辑器件或定制/半定制硬件芯片上的POWERLINK通讯协议主从站内核。本实用新型的总线式数控装置，不依赖于高性能通用CPU，能够提高数据传输的实时性和数据提取速度，满足高速、高精度工业现场控制领域的要求。

Description

一种基于POWERLINK协议的总线式数控装置

技术领域

本实用新型涉及一种数控装置，特别是涉及一种基于POWERLINK协议的总线式数控装置。

背景技术

数控装置是数控机床的中枢，一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的功能由一台计算机来完成。或者说数控装置（习惯称为数控系统）是对机床进行控制，并完成零件自动加工的专用电子计算机。它接收数字化了的零件图样和工艺要求等信息，按照一定的数学模型进行插补运算，用运算结果实时地对机床的各运动坐标进行速度和位置控制，完成零件的加工。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于POWERLINK协议的总线式数控装置，能够提高数据传输的实时性和数据提取的速度，满足高速、高精度工业现场控制领域对同步数据传输及处理的要求。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于POWERLINK协议的总线式数控装置，包括控制系统，交流异步主轴伺服驱动单元、交流异步主轴伺服电机及增量式编码器，交流永磁同步伺服驱动单元、交流永磁同步伺服电机及绝对式编码器，以及PLC，其特征在于，所述数控装置中，控制系统、交流异步主轴伺服驱动单元、交流永磁同步伺服驱动单元和PLC通过基于POWERLINK通讯协议的工业以太网总线连接，所述的工业以太网总线包括可编程逻辑器件或定制/半定制硬件芯片上的POWERLINK通讯协议主从站内核。

所述的总线式数控装置中，控制系统、交流异步主轴伺服驱动单元、交流永磁同步伺服驱动单元和PLC成为POWERLINK总线网络中的一个节点，其中控制系统是主站节点，其余部分是从站节点，每个节点内包含POWERLINK通讯协议主从站内核。控制系统通过POWERLINK总线发送命令给各个从站，从站通过POWERLINK总线响应控制系统的命令并通过POWERLINK总线回传反馈信号。控制系统通过POWERLINK总线与各个伺服单元、PLC进行实时(PDO)或非实时(SDO)的数据交换，从而构成了基于POWERLINK总线的总线式数控装置。

所述的POWERLINK通讯协议主从站内核，基于包含各模块代码生成的位流文件的可编程逻辑器件以及定制/半定制硬件芯片实现，其电路包括POWERLINK通讯协议主/从站的数据链路层、应用层以及连接数据链路层和应用层的同步总线，所述的数据链路层包括主站数据链路层控制器和丛站数据链路层控制器，主站数据链路层控制器、丛站数据链路层控制器均包括上电/外部复位初始化控制器、时间基准控制器、同步信号控制器、时钟信号控制器、NMT状态机、DLL状态机、DMA控制器；所述的应用层包括应用层DPR和应用层REG；所述的同步总线上挂载上述数据链路层各个子模块和应用层DPR、应用层REG，同步总线形成联接数据链路层和应用层的数据通道。

所述的POWERLINK通讯协议主从站内核还包括符合802.3标准的POWERLINK物理层，物理层包括一个MAC，一个双口HUB，以及两个物理层接口芯片，物理层接口芯片通过M16插头连接以太网电缆。

所述POWERLINK通讯协议主从站内核通过Preq、Pres的请求应答模式传输PDO实时数据，通过异步阶段传输SOA、Asnd数据帧传输SDO非实时数据。

所述的控制系统包括POWERLINK通讯协议主从站内核，CPU，总线控制器，ROM，RAM ，FLASH，数字量输入口，数字量输出口，模拟量输出口，显示控制器，SRAM显存，显示器，键盘和USB接口。

所述的交流异步主轴伺服驱动单元或永磁同步伺服驱动单元包括POWERLINK通讯协议主从站内核外，还包括DSP控制器和IPM驱动电路。

有益效果：本实用新型的基于POWERLINK协议的总线式数控装置，POWERLINK通讯协议主从站内核的硬件实现可以提高数据传输实时性和应用者数据提取的速度，不依赖于高性能通用CPU从而降低成本。所述的数控装置以最经济的手段实现了200uS/4轴或者500uS/10轴的同步循环周期，每节点的数据提取时间由毫秒级降低到微秒级别，控制周期由数毫秒缩短到1毫秒以内，在相比较同类型数控装置中成本低而性能高。并且所述总线式数控装置, 不仅连接简单、安全可靠操作方便，而且具有很大的开放性和灵活性,可根据用户的实际需要配置数控系统的软硬件，扩展和升级都变得非常容易。

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细描述。本实用新型的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

附图说明

图1  本实用新型的数控装置的基本结构框图；

1、控制系统 2、POWERLINK工业以太网总线 3、交流异步主轴伺服驱动单元 4、交流永磁同步伺服驱动单元 5、交流永磁同步伺服驱动单元 6、PLC 7、交流异步主轴伺服电机及增量式编码器 8、交流永磁同步伺服电机及绝对式编码器 9、交流永磁同步伺服电机及绝对式编码器。

图2  控制系统的内部结构框图。

图3  POWERLINK通讯协议主从站内核的结构方图。

图4  交流伺服驱动单元的内部结构框图。

图5 交流异步主轴伺服驱动单元和内部结构框图。

图6  PLC工作流程图（1）。

图7  PLC工作流程图（2）。

具体实施方式

一种基于POWERLINK通讯协议的总线式数控装置，其基本结构如图1所示。

上述装置包括控制系统，交流异步主轴伺服驱动单元、交流异步主轴伺服电机及增量式编码器，交流永磁同步伺服驱动单元、交流永磁同步伺服电机及绝对式编码器，以及PLC等。上述的各个部分通过包括POWERLINK通讯协议主从站内核的硬件电路实现的工业以太网总线连接在一起。上述装置每个部分都成为POWERLINK总线网络中的一个节点，其中控制系统是主站（MN）节点，其余部分是从站（CN）节点。控制系统通过总线发送命令给各个从站，从站通过总线响应数控系统的命令并通过总线回传反馈信号。 数控系统通过总线与各个伺服单元、PLC进行实时(PDO)或非实时(SDO)的数据交换，从而构成了基于POWERLINK总线的总线式数控装置。

以下对所述的数控装置的各个部分进行说明。

控制系统，或称为计算机数控（Computerized numerical control，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统是根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路的专用计算机系统。所述的控制系统的内部结构参见图2，包括POWERLINK通讯协议主从站内核，CPU，总线控制器，ROM，RAM， FLASH，数字量输入口，数字量输出口，模拟量输出口，显示控制器，SRAM显存，显示器，键盘，USB接口。控制系统接收数字化了的零件图样和工艺要求等信息，按照一定的数学模型进行插补运算，用运算结果实时地对机床的各运动坐标进行速度和位置控制。该系统把每个位置控制周期计算所得的速率、位置增量等数据通过POWERLINK总线以数字量的形式传送到伺服驱动器，从而实现对伺服电机的转速及转动位移量的控制。

在POWERLINK工业以太网总线上作为总站，上述控制系统中的POWERLINK通讯协议主从站内核是实现POWERLINK通讯协议的核心部分。它是基于可编程逻辑器件或定制/半定制硬件芯片实现，由综合软件综合各模块，再由实现软件将所有综合后代码生成位流文件，下载到目标硬件中实现POWERLINK通讯协议主从站内核。

POWERLINK通讯协议主从站内核其结构如图3所示，包括POWERLINK通讯协议主/丛站的数据链路层、应用层以及连接数据链路层和应用层的同步总线，所述的数据链路层包括主站数据链路层控制器和丛站数据链路层控制器，主站数据链路层控制器、丛站数据链路层控制器均包括上电/外部复位初始化控制器、时间基准控制器、同步信号控制器、时钟信号控制器、NMT状态机、DLL状态机、DMA控制器；所述的应用层包括应用层DPR和应用层REG；所述的同步总线上挂载上述数据链路层各个子模块和应用层DPR、应用层REG，同步总线形成联接数据链路层和应用层的数据通道。上述内核中还包括符合802.3标准的POWERLINK物理层，此物理层包括一个MAC，一个双口的HUB，以及两个物理层接口芯片。物理层接口芯片通过M16插头连接以太网电缆。

上述控制系统中的CPU部分是运算和处理单元，该部分实现输入数据处理，位置插补运算，速度控制，程序管理，软件PLC和系统诊断等任务。该部分使用基于ARM9EJ-S内核的32位CPU，运算速度200MIPS并结合了uC-OS实时操作系统，能同时运行16个以上的硬实时任务。

上述控制系统中的存储器部分包括ROM，RAM，FLASH，该部分实现系统程序的存储和用户程序的存储。

上述控制系统中的通用输入/输出部分包括数字量输入，数字量输出，模拟量输出。

上述控制系统中的485接口部分使用标准的RS485/RS422电气接口用以实现用户程序的转储，系统监视，串口DNC加工以及定制开机界面的下载。

上述控制系统中的USB接口部分利用USB存储设备进行数据交换，该接口使用支持USB1.1协议规范，兼容USB2.0协议的USB Host/Slave芯片，提供USB主机的硬件接口及总线管理的物理机制，带有在片的SIE、USB发送器和根集线器。该接口的主要功能是访问USB存储设备。USB存储设备以文件格式存储数据，FAT16因具有高度兼容性被广泛应用于移动存储设备中，所以系统访问USB存储设备主要是根据FAT16文件系统进行文件或目录的各种操作。内置的控制传输协议处理器和处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议固件，支持Bulk-Only传输协议和SCSI、UFI、RBC命令集，固件部分需构建FAT16文件系统，处理FAT文件系统层，提供应用接口函数（API）供应用软件访问USB存储设备。

上述控制系统中的主键盘，操作面板，显示控制器，显存SRAM及显示屏组成人工输入指令和系统反馈状态的人机界面。

所述的数控装置执行机构的驱动部件，包括交流异步主轴伺服驱动单元、交流异步主轴伺服电机及增量式编码器，交流永磁同步伺服驱动单元、交流永磁同步伺服电机及绝对式编码器等。

如图4和图5所示，所述的交流异步主轴伺服驱动单元或永磁同步伺服驱动单元包括POWERLINK通讯协议主从站内核，还包括DSP微控制器和IPM驱动电路。上述交流异步主轴或永磁同步伺服驱动单元采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，实现复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁同步交流伺服电机或交流异步主轴伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。上述驱动部件在数控装置的控制下通过电气实现主轴和进给电机驱动。所述部件中编码器作为位置检测装置安装在电机上，用以检测机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与数控系统计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

交流异步主轴伺服驱动单元或交流永磁同步伺服驱动单元包括POWERLINK通讯协议主从站内核，在POWERLINK工业以太网总线上作为从站。控制系统（主站）的指令通过POWERLINK通讯协议主从站内核实现POWERLINK总线传输。

所述的数控装置还包括作为从站的PLC部分。开关量控制是构成数控系统控制功能的重要部分,主要负责对机床IO和操作按钮等进行逻辑控制。数控装置中对开关量控制的实现方式主要是PLC。PLC采用通用的硬件PLC完成机床的开关量控制,具有稳定性好、可靠性高以及技术成熟等方面的优点。PLC主要功能是按照PLC程序完成相应的逻辑控制。PLC运行系统随控制系统一起启动，负责完成机床相关的开关量控制。通过与控制系统之间的通信与同步，运行系统能够和控制系统相互协作，共同完成数控功能。任务执行模块是软PLC的重要组成部分，主要完成用户程序的执行。为了满足用户不同实时性的要求，上述数控装置将任务执行模块又分为普通任务执行模块和高速任务执行模块。在系统管理模块的调度下，普通任务执行模块每20ms执行一次，用来完成实时陕要求较低的控制；而高速任务执行模块每5ms执行一次，完成实时性要求较高的控制，如刀库，限位等等。这两个模块均为独立的普通线程。其工作流程如图6所示。任务执行模块被启动后的工作过程是一个循环。在一次循环中，任务执行模块首先从代码存储区读取一条指令，接着对该指令进行分析，根据分析结果从指令库中调取该指令对应的执行函数进行处理。读取处理完一条指令后一个循环结束，任务执行模块冉读取下一条指令进行处理，进行下一个循环，遇到End指令后，任务执行模块退出循环，完成一个软PLC周期的用户程序执行任务。系统管理模块是软PLC运行系统的核心，负责相关的全局数据的处理以及运行系统资源的管理，并对任务执行模块和I/O模块进行管理调度。I/O模块同样是PLC中必不可少的一部分，主要负责输人输出的刷新以及与CNC之间的通信。I/O模块也是一个独立的普通线程，由系统管理模块调度，每5ms执行一次。I/O模块的工作内容主要有两部分。一方面I/O模块与数控系统之间进行通信，读取来自数控系统的输入并将相关输出传送给数控系统。它们之间的通信主要通过共享内存来实现，在共享内存中定义了PLC与数控系统之间的数据接口，并且通过互斥体来保证数据访问的安全。另一方面，I/O模块对机床输入输出信号进行刷新。所述通信通过POWERLINK通讯协议主从站内核部分实现。

所上文所述，POWERLINK通讯协议主从站内核的硬件实现的方法是基于可编程逻辑器件以及定制/半定制硬件芯片实现POWERLINK通讯协议主/丛站的数据链路层、应用层以及连接数据链路层和应用层的同步总线，其中数据链路层包括主站数据链路层控制器和丛站数据链路层控制器，主站数据链路层控制器、丛站数据链路层控制器均包括上电/外部复位初始化控制器、时间基准控制器、同步信号控制器、时钟信号控制器、NMT状态机、DLL状态机、DMA控制器；应用层包括应用层DPR和应用层REG；同步总线上挂载上述数据链路层各个子模块和应用层DPR、应用层REG，同步总线形成联接数据链路层和应用层的数据通道；由综合软件综合以上各模块，再由实现软件中将上述所有综合后代码生成位流文件，下载到目标硬件中实现POWERLINK通讯协议主从站内核。一个并行总线可以联接上述内核与CPU，包括数控系统CPU、交流异步主轴伺服驱动单元CPU、交流伺服驱动单元CPU或者PLC及副面板的CPU。内核之间通过物理层连接。物理层是符合802.3标准的以太网总线。该物理层同时还规定了本装置总线连接的机械电气规范，具体实施上使用M16型插头。上述POWERLINK通讯协议主从站内核的硬件实现的方法规定了PDO，SDO报文用以传输实时、非实时数据。

所述POWERLINK通讯协议主从站内核的硬件通过Preq、Pres的请求应答模式传输PDO实时数据。该种模式下主站（MN）轮询所有从站（CN）。首先主站发送Preq 数据帧（PReqCN1）给1 号从站，该数据帧是单播的，只有1 号节点接收，其他节点不接收。在该数据帧中包含了主站（MN）要发送给1 号从站的数据。当1 号节点收到来自主站的Preq 数据帧，就会上报一个Pres 数据帧（PresCN1），该数据帧是广播的，除了主站可以接收到以外，网络中其他任何一个从节点都能收到。主站（MN）与1 号从节点(CN1)一来（Preq）、一往（Pres），就完成了一次信息交互；接下来主站（MN）与2 号从节点(CN2)的信息交互，以此类推，将网络中所有的节点扫描一次，称为一个循环周期。假定循环周期为200us，那么网络中的每个设备每200us 就有一次收取/发送数据的机会，而且不会与其他设备造成冲突。上述POWERLINK通讯协议主从站内核通过异步阶段传输SOA、Asnd数据帧传输 SDO非实时数据。SOA 数据帧包含了请求哪个从站上报数据，而Asnd 数据帧为该从站上报的数据。在每个循环周期，只能有一个从节点上报异步数据，如果有多个从节点需要异步通信，那么需要在多个周期内完。

Preq帧格式：

Pres帧格式：

SOA帧格式：

Asnd帧格式：

Claims (6)

1.一种基于POWERLINK协议的总线式数控装置，包括控制系统，交流异步主轴伺服驱动单元、交流异步主轴伺服电机及增量式编码器，交流永磁同步伺服驱动单元、交流永磁同步伺服电机及绝对式编码器，以及PLC，其特征在于，所述数控装置中，控制系统、交流异步主轴伺服驱动单元、交流永磁同步伺服驱动单元和PLC通过基于POWERLINK通讯协议的工业以太网总线连接，所述的工业以太网总线包括可编程逻辑器件或定制/半定制硬件芯片上的POWERLINK通讯协议主从站内核。

2.根据权利要求1所述的总线式数控装置，其特征在于，所述的总线式数控装置中，控制系统、交流异步主轴伺服驱动单元、交流永磁同步伺服驱动单元和PLC组成POWERLINK总线网络中的节点，其中控制系统是主站节点，其余部分是从站节点，每个节点内包含POWERLINK通讯协议主从站内核；控制系统通过POWERLINK总线与各个伺服单元、PLC进行实时或非实时的数据交换。

3.根据权利要求1所述的总线式数控装置，其特征在于，所述的POWERLINK通讯协议主从站内核，基于包含各模块代码生成的位流文件的可编程逻辑器件以及定制/半定制硬件芯片实现，其电路包括POWERLINK通讯协议主/从站的数据链路层、应用层以及连接数据链路层和应用层的同步总线，所述的数据链路层包括主站数据链路层控制器和丛站数据链路层控制器，主站数据链路层控制器、丛站数据链路层控制器均包括上电/外部复位初始化控制器、时间基准控制器、同步信号控制器、时钟信号控制器、NMT状态机、DLL状态机、DMA控制器；所述的应用层包括应用层DPR和应用层REG；所述的同步总线上挂载上述数据链路层各个子模块和应用层DPR、应用层REG，同步总线形成联接数据链路层和应用层的数据通道。

4.根据权利要求3所述的总线式数控装置，其特征在于，所述的POWERLINK通讯协议主从站内核还包括符合802.3标准的POWERLINK物理层，物理层包括一个MAC，一个双口HUB，以及两个物理层接口芯片，物理层接口芯片通过M16插头连接以太网电缆。

5.根据权利要求1-4所述的任一总线式数控装置，其特征在于，所述的控制系统除包括POWERLINK通讯协议主从站内核外，还包括CPU，总线控制器，ROM，RAM、 FLASH，数字量输入口，数字量输出口，模拟量输出口，显示控制器，SRAM显存，显示器，键盘和USB接口。

6.根据权利要求1-4所述的任一总线式数控装置，其特征在于，所述的交流异步主轴伺服驱动单元或永磁同步伺服驱动单元除包括POWERLINK通讯协议主从站内核外，还包括DSP微控制器和IPM驱动电路。

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