基于SERCOS—II的机床数控系统实时通信与同步控制探析

魏建国

摘要：文从sERCos一Ⅱ与机床数控系统的概述入手，随后对基于sERCos一Ⅱ的机床数控系统实时通信及同步控制进行了研究。结果表明，基于SERCoS一Ⅱ的机床数控系统，可以实现实时通信与同步控制。

1.SERCOS II与机床数控系统概述

（1）SERCOS II

ICE61491中对SERCOS进行了如下定义，它是一种专门用于多控制器同步控制机械设备的数据传输协议标准。大量的实践结果表明，采用SERCOS接口对数字伺服装置以及控制单元进行连接，实现串行实时数据通信后，不但可以使接线和控制硬件获得进一步简化，而且调试也变得更加简单方便，除了能够确保各种数据信息的有效传输之外，如指令、参数等等，还能实现远程控制。SERCOS以其自身优异的性能，获得了世界各国机床生产制造商的认可。SERCOS II具有较高的传输速率，可以达到16Mbit/s，这给数据传输的实时性提供了可靠保障。通常情况下，在SERCOS II接口的系统当中，伺服回路在驱动器内全部处于闭合状态，从而减轻了运动控制与驱动器间的传输效应，同时SERCOS II的通信周期长短可随意设置，一般周期设定的越短，系统所能够达到的实时性就越高。SERCOS II的通信机制为TDMA，传输方式为周期报文。

（2）机床数控系统

本文所要研究的机床数字化控制系统主要是由以下几个部分构成：

1）主控制器模块。该模块具体负责管理系统总线，并完成相关任务的调配，如零件加工程序译码、刀具长度及半径补偿、加工轨迹粗插补等等。

2）运动控制器。这是机床实现轨迹规划的核心模块，其主要功能是识别及解释数控加工程序，并通过计算对相关路径进行规划，完成支线与圆弧的加速、减速控制和精插补，对机床运动进行细化，传输各种运动指令，控制机床各个部分的动作协调运转。

3）伺服系统。该系统由位置检测反馈装置、伺服驱动装置等部件构成，它是机床运动的控制部分。

4）I/0模块。具体负责限位开关、润滑机构等辅助装置的管理。

5）主轴伺服系统。其具体是由主轴传动部、电动机、驱动控制装置等几个部分构成。通常情况下，机床数控系统是以PLC作为主轴电动机的驱动控制装置，借助编码器对主轴电动机的实时运行速度进行检测，并将检测结果传输给运动控制器，进而实现速度控制。

6）通信与人际接口模块。主控制器与外界之间的实时通信是凭借通信模块来实现的；LCD显示器和操作键盘构成了人机接口模块。

通过对机床数控系统的运行情况进行分析后发现，其存在以下几点问题：其一，很难实现分布式控制；其二，难以实现相关指令的同步执行；其三，不具备自检功能。为了有效解决上述几点问题，可将SERCOS II引入到机床数控系统当中，下面本文就此展开详细论述。

2.基于SERCOS II的机床数控系统实时通信及同步控制研究

为了实现机床数控系统的实时通信与同步控制，下面提出基于SERCOSⅡ的系统硬件与软件设计。

（1）系统硬件设计

1）主站通讯接口电路设计。在整个系统当中主站为运动控制器，它的电路围绕SERCONSl6（第二代SERCOS协议）、DSP以及FPGA构建平台。在电路设计过程中，预留出一定的余地，这样不但便于扩展，而且还有助于系统软硬件的升级、改造。SERCON816芯片采用的是QFP技术，芯片共有100个引脚，整个通讯接口电路由DSP、FPGA、SERCON816芯片和光纤收发器等几个部分组成。数据总线采用的是16位连接，并以5V电压对SERCON816进行供电，寄存器与RAM采用的是组合的方法进行连接。

2）从站电路设计。数控系统伺服装置的电机采用DSP+IPM的方式进行驱动控制，为达到机床数控系统的精度要求，在基于SERCOSⅡ接口的设计过程中，从站应当满足以下三个条件：控制精度、与主站的同步性、自诊断能力。鉴于此，从站中SERCON816与DSP之间的连接方式应当与主站保持一致。

（2）系统软件设计

软件设计主要针对数控系统的主站与从站，并在程序设计的过程中，完成SERCOSⅡ光纤环路总线的初始化，其中具体包括如下几个环节：寄存器与RAM配置及后期初始化配置。SERCOS II的通信模块共分为三个层次，即物理层、链路层以及应用层，在软件程序编写的过程中，为便于修改将应用层细分为两部分，一部分是底层接口，另一部分为应用程序，前者能够为后者提供读写、控制、命令传输等功能。链路层主要是由SERCON816芯片将各类数据、参数等以报文的形式进行收发，物理层则负责通信连接。

1）主站接口软件。主站利用对MHS的翻转实现一个新节拍的开始，同时，伺服装置从MDT发现MHS翻转之后，其便会作出响应，并对主站发出的读写要求进行处理，以此来完成相关动作。而SERCOSⅡ的非周期性传输则是通过对MHS和AHS的节拍比较来实现同步与更新的。

2）从站接口软件。从站的控制寄存器与RAM的配置基本上与主站相同，在初始化的过程中，从站在各个通信阶段利用循环体的不断扫描来实现MST电报的开始，并等待主站对服务通道进行使用。

（3）系统应用效果

本文基于SERCOS II设计的通信系统现已在某制造企业的数控加工中心上运行，它的应用实现了系统的分布式控制和指令同步执行，系统运行至今并未出现任何异常状况，加工中心生产出来的工件精度符合产品要求。

3.结论

综上所述，本文基于SERCOSⅡ对机床数控系统的实时通信与同步控制进行了研究，通过硬件和软件设计，实现了机床的实时通信与同步控制，进一步提高了系统的实时性和可靠性。应用结果表明，可以满足机床的加工精度要求，并且系统运行稳定，具有一定的推广使用价值。

参考文献

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