电机运动控制网络及其发展研究

    闫晓娟，刘景林

    (西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：论述了电机网络化运动控制技术的意义和发展现状。简要分析比较了sscNET、sERcOs、cc-Link等6种常见运动控制总线协议的性能特点及应用特点。指出电机运动控制网络的结构及目前存在的主要问题，在此基础上进一步归纳了电机网络化运动控制系统的关键技术，包括网络的选择、通信协议及运动控制器的设计。最后指出现场总线与以太网的集成技术及无线网络的应用，为电机运动控制网络提供了新的发展方向，模糊控制、变结构控制等先进控制策略的进一步应用，为电机运动控制网络提供了强大的技术支持。

    关键词：网络化运动控制系统i现场总线控制系统；通信协议

0  引  言

    随着控制科学、计算机网络、通信及自动化仪表等学科的发展和交叉渗透，运动控制系统经历了从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字，直到基于Pc的伺服控制网络和基_]二网络的运动控制的发展过程。在电机运动控制网络中，现场总线具有明显的优势并得以广泛应用，它实现了****层现场控制设备和现场智能仪表设备的互联。为了使控制系统数据能够在以太网构成的上层信息网络和现场总线之间可靠地传输，实现从现场控制层到管理层的全面信息集成，现场总线正逐渐转向工业以太网，整合Ethemet和TcP／IP技术的现场总线应用已成为网络化运动控制系统的研究热点之一。

1  运动控制网络的研究现状

    作为电机运动控制网络的核心，现场总线具有明显优势。自20世纪80年代产生至今，经历了市场的竞争、淘汰、合并与重组，目前多种现场总线既相互共存又相互竞争，每一种总线各有其技术特点和适用范围。总线协议是各类总线技术的核心。常用于运动控制系统的串行通信协议包括SSCNET、SERCOS、CC-Llnk、DeviceNet、ProFinet、synqNet等。

1．1  DeviceNet

    DeviceNet由美国A1len Bredly公司于1994年提出，是基于cAN(contml area network)技术的现场总线。其通信连接建立在cAN基础之上，DeviceNeL定义了应用层规范、物理层的连接单元接口规范、传输介质及其连接规范，而在数据链路层的媒体访问控制(MAc)层和物理层的信令服务规范采用了cAN总线技术。其通信参考模型如图1所示。采用点对点，多主或主从通信，可带电更换网络节点，在线修改网络配置；可以使用cAN规约芯片，支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送；其MAc采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息，具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和自动恢复功能，属于低成本、高可靠性的数据网络。

1_2  SSCNETf Serlvo System Control NetwoiIk)

    SSCNET由三菱公司于20世纪80年代初期开发，专用于电机控制，为一种高速同步通信网络，传输距离远，接线少且有良好的性价比。传输媒介类似RS485技术，传输距离最长可达30 m，传输速率为5．625 Mbps，通信周期为O. 8 ms。控制方式为主从式架构，一块主控Ic可控制6个Slave的伺服驱动器。新版本的SSCNET-Ⅲ传输媒介改为光纤，传输距离最长可达800 m，传输速率为50 Mbps，通信周期为O．8 ms，实现了较高精度的位置控制。与其他控制方式相比，通过SScNET总线获得大量有关伺服系统的信息，如命令参数、反馈参数、伺服增益参数、报警及错误代码等，能实现多个运动轴之间的同步。

1．3  CC-Linkf Control Communieafion Link)

    cc-Link由三菱电机株式会社开发，使用专用电缆连接分散的I／o单元和特殊功能单元，通过可编程逻辑控制器(PLc)对这些单元进行控制，能减少配线并高速传输数据。cc-Link的优点如下：(1)应用方便，通信初始化只需在通信主站进行参数设置，即可完成主、从站的初始化，允许节点站号不按顺序排列，由主站通信模块对整个现场总线网络进行管理和数据刷新；(2)低价位与高性能的统一，采用广播轮询的通信方式，****数据可达918字节，一帧传送中数据率为98％，具备高效数据传输特性，可以通过专用指令支持瞬时通信方式以满足要求时间，响应更高速的场合；(3)具有优异的抗噪性和良好的兼容性。其协议栈及网络结构如图2、3所示。

1．4  SERCoS (Serial Real-time CommunicationSystem)

sERcOs由德国率先发起，于1995年正式成为IEc6149l国际标准。主要用于分散式多轴运动