0 引言

　　為了實現更高速、更柔性的生產目的，傳統上由機械部件完成的功能越來越多的由伺服系統完成。同時，工業現場總線的廣泛應用，為分布式控制系統提供了良好的高實時性、高可靠性解決方案。目前，在一些大型包裝、印刷、紡織、機器人和CNC等領域，該方案能夠較好地解決系統模塊化的布局，具有較高的應用價值。采用Powerlink開源技術作系統總線，能夠較好地利用Powerlink開源的優勢，提供較高的實時性和安全性，同時具有較低的成本。

1 分布式伺服控制

　　分布式伺服控制實質上是分布式驅動，集中式控制。系統由1個主控制器和，z個驅動節點組成，通過普通以太網介質組成環形網絡。主控制器實現多軸控制的軌跡算法和主站通訊協議。軌跡控制算法實現了各軸的插補運算，并通過現場總線將指令發送到驅動節點。驅動節點根據目標指令和編碼器反饋信息，實現控制環路，驅動電機運動。此外，總線上可以擴展I／O設備，采集傳感器信息，擴展其他應用。

　　分布式伺服系統的性能優劣，很大程度上取決于選擇的運動控制總線。總線的速度、協議的效率直接影響了伺服軸的數據更新時間，進而影響伺服軸的控制精度；總線的安全可靠性和自診斷、自恢復能力決定了控制系統的穩定性；總線的應用是否廣泛、調試是否方便，影響了總線的市場通用性，開發成本的高低。

　　開源技術Ethernet Powerlink具有良好的性能。首先，Powerlink的通信周期短，能夠在幾百微妙內刷新全部節點的控制信息。其次，Powerlink通過數據傳輸的特定方法來確保安全性，摒棄了以前需要的雙絞線裝置，降低了配線需求。歸功于嚴格確定的時序，非常短的循環周期，很低的網絡抖動，開放的實時通信系統，為Powerlink安全性提供了理想的基礎。此外，Powelrink與標準以太網兼容，具有高實時性、拓撲結構靈活、熱插拔和開源等特點，這些都為Powerlink的廣泛應用提供了基礎。因此，選用Powerlink技術作為伺服控制總線，是性能良好且成本實惠的選擇。

2 Powerlink在伺服驅動器上的實現

　　2.1 硬件框架

　　主控制器和驅動節點的硬件電路基本相同，都采用Freeseale CortexM4 ARM做主處理器，通過FlexBus總線與FPGA通信。FPGA外接DDR2存儲器件和2個以太網控制芯片DP83630，主要實現Powerlink協議。驅動節點還有一個編碼器模塊輸入和電機驅動輸出。

　　2.2 初始化過程

　　首先是主站上電啟動，初始化并等待從站節點的接人。然后驅動節點上電，驅動器進行自檢和初始化。此時強電還沒有接通，驅動節點應答主控制器的IdentRequest請求，完成Powerlink的初始化，并告知應用層當前初始化狀態。應用層判斷Powerlink初始化正常，接通強電，否則發出錯誤信息到數碼管顯示。

　　2.3 正常通信過程

　　初始化成功后，主從站根據對象字典配置信息進行通訊。主控制器依次給各驅動節點發送命令伺服使能，驅動節點反饋伺服就緒，開始正常運轉。每個通信周期，主控制器給個驅動節點發送插補指令，驅動節點反饋實際轉速和驅動器狀態信息。

　　2.4 Powerlink移植

　　無論是否采用操作系統，Powerlink一般包括這樣4個任務處理：事件隊列、以太網收發事件、時鐘事件和外部按鍵輸入處理。由于沒有使用操作系統，所以將事件隊列和ms級時鐘事件放在主函數中查詢處理，以太網事件、高精度時鐘事件和按鍵輸入處理使用中斷的方式實現，通過接口函數與協議棧進行通信。Powerlink主站的移植，針對XilinxSpartan6系列FPGA，修改了Ethernet Edrv。Timer，Buffer，以及Cfm模塊。

　　Ethernet驅動使用了Powerlink IP核，IP核里調用openMAC來管理數據收發。Timer包括1個ms級時鐘和2個ns級時鐘。ms級時鐘由軟核定時器提供，ns級時鐘TimerCycle由FPGA內部50 MHz時鐘產生(每個滴答20 ns)，去掉了另外一個時鐘TimerSlot，數據的發送改由定時發送幀的函數omethTransmitTime代替。Cfm配置模塊中，cdc將文件轉換成數組添加到工程里面，然后將對文件mnobd．cdc的處理轉換成對Buffer的處理，這樣就省去了FPGA對文件系統的支持。

　　Powerlink從站的移植，針對Cyclone IV做了相應修改，大體與主站修改過程類似。

　　2.5 測試結果

　　在100 Mbit／s的網絡帶寬下，通過Powerlink總線，400"s內實現了5個從站伺服驅動器的數據刷新，編碼器反饋速度與命令速度之間有1～2個通信周期的滯后，基本上實現了各個驅動節點的同步控制。具體數據量與通信周期的關系如表3所示。

3 結束語

　　分布式伺服控制簡化了機械設計，提高了設計的靈活性，在當前運動控制高速化、多軸化和復雜化的需求下，能夠較好地滿足市場需求。基于Powerlink通信技術的分布式伺服驅動器，結合了目前普遍采用的Powerlink總線技術，能夠較好地滿足較高的實時性和可靠性。