隨著現(xiàn)場總線技術的日益成熟，美國、日本、歐洲相繼研制了融現(xiàn)場總線技術和100m以太網技術，plc技術，可視化人機接口技術和全球化生產管理技術為一體的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)。德國jetter ag公司推出jetweb、keb公司推出的kebmotion、lence公司的lence、英國trio公司推出的triomotion、以色列elmo公司推出的masetro等。以太網是控制器的一部分并作為連接智能控制模塊的系統(tǒng)總線;內部和外部的數據通訊在此沒有區(qū)別，網絡就是控制器。以太網系統(tǒng)總線就是現(xiàn)場總線，可連接到每個獨立的控制模塊。 為了適應現(xiàn)場總線新技術的發(fā)展，很多高校電氣類、電子類、機電一體化以及其它一些專業(yè)都相繼開設了《現(xiàn)代交流伺服控制》這門課程（注:教材已由清華大學出版社出版）。但是與這門課程配套的實驗設備與裝置數量還是很有限，這無疑對學生學習先進的自動控制技術是十分欠缺的。為了解決這一現(xiàn)象，作者所在研究所研制了一種“基于以太網交流伺服實驗系統(tǒng)”。學生可以通過can總線和以太網構建網絡實驗，完成諸如數據遠程采集、電機遠程控制與檢測等一系列基于現(xiàn)場總線的控制實驗。 實驗系統(tǒng)組成與工作原理 實驗系統(tǒng)組成 在開放式伺服數控的研究方面，美國、德國、日本和歐洲在技術上處于領先行列。國內的伺服研究起步比較晚。筆者與天津羅升集團合作，采用以色列elmo伺服構建了基于以太網和can總線的網絡化教學用開放式伺服控制系統(tǒng)。 本設計的優(yōu)點: 解決了高?！冬F(xiàn)代交流伺服控制》這門課程的實驗課急需，有利于增強學習課程的感性認識，提高他們的動手能力，提高學習興趣; 改變了學生過去的現(xiàn)場控制的概念，有利于拓展視野; 不僅適用于高等學校機電一體化，電子電器，電氣自動化專業(yè)生產實習、課程設計的實驗研究，可作為電機類本科生及研究生的開放性試驗平臺，為其認識和掌握現(xiàn)代交流調速及伺服系統(tǒng)奠定必要的基礎，而且可直接運用于數碼雕刻、包裝機械、模具生產等工業(yè)生產應用場合。它構成了一個遠程控制的伺服控制系統(tǒng)，通過微機編程，可進行多自由度、多機協(xié)調控制，實現(xiàn)高速、高進度、低震動等伺服特性，還可用于機器人控制、柔性制造業(yè)等領域; 可實現(xiàn)遠程控制、維修、診斷等，節(jié)約運行成本。 基于以太網和can總線的教學用交流伺服體系結構[1]見圖1?？刂葡到y(tǒng)由上位計算機（1）、多軸運動控制器（2）、交流伺服驅動器（3）和交流伺服電機（4），其特征是多軸運動控制器（2）通過以太網或局域網與上位計算機（1）相連，交流伺服驅動器（3）之間以及交流伺服驅動器與多軸運動控制器（2）之間通過通過can總線相連，交流伺服驅動器（3）的輸出與交流伺服電機（4）相連。 [align=center] 圖1 基于以太網的伺服實驗設備系統(tǒng)[/align] 系統(tǒng)工作原理 上位計算機（1）通過接插支持tcp/ip協(xié)議的網絡通訊適配卡（100m）獲得對以太網總線的支持，負責對整個系統(tǒng)的運行和工作狀態(tài)進行監(jiān)視管理。上位計算 機（1）完成任務規(guī)劃后，根據tcp/ip協(xié)議通過以太網向多軸控制器（2）發(fā)送指令信息，控制器解釋指令后，通過透明網關[2]將tcp/ip協(xié)議轉化為can2.0b網絡協(xié)議，通過can總線向交流伺服驅動器（3）發(fā)送控制命令，can節(jié)點解釋指令以后轉化為數字脈沖信號，控制交流伺服電機（4）。由于集線器技術被集成在每個控制器中，通過分配地址空間可以把內部通訊從外部通訊中分離開來。集線器技術及底層協(xié)議的集成，確保了以太網的確定性和兼容性，排除了通訊的碰撞問題。整個過程或系統(tǒng)被看作為一個邏輯單元，甚至是一個獨立的控制器。不需考慮網絡的各層概念，而只形成為一個層，去除了cpu的瓶頸效應。所有數據在網絡中僅需表達一次，網絡扮演真正的服務器。 插補方案采用粗精兩級插補，由上位機進行粗插補，根據進給速度和加減速的要求計算出每個軸每個插補周期的位移量，并將位移量轉換為脈沖數送給多軸控制器，每個多軸控制器可以最多協(xié)調控制109個伺服電機，當然，也可以用can總線直接控制伺服驅動器，只是編程較為繁瑣。 在位置伺服控制中，本系統(tǒng)采用pip（比例-積分-比例）控制算法,而不是傳統(tǒng)的pid控制[3]。pip控制最初是由young等人[4][5]提出的，由于篇幅的緣故本文不做詳細的分析。 實驗的設計 基于以太網的交流伺服實驗系統(tǒng)已成功地在南京工業(yè)大學運動控制研究所中搭建完成，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，質量可靠，可廣泛應用于數碼雕刻，包裝機械，模具生產等工業(yè)生產應用場合，更適用于高等學校機電一體化，電子電器，電氣自動化專業(yè)學生（研究生）生產實習，課程設計等課程的實驗研究。并且開發(fā)了can總線基礎實驗、遠程控制實驗、交流伺服控制實驗、數控插補、運動軌跡設計等一系列實驗。所開發(fā)的各項實驗分為基礎實驗、擴展實驗、創(chuàng)新實驗三個層次。 下面通過遠程控制電機的系統(tǒng)實驗來具體說明本實驗系統(tǒng)的系統(tǒng)教學實驗設計。 基礎實驗 基礎實驗要求學生了解實驗的原理和過程，能獨立完成實驗指導書上要求的驗證實驗。學生通過實驗指導書的要求和步驟完成（如控制算法，觀察各種曲線軌跡插補過程，多電機同步控制及聯(lián)動參數調整，指導調整器參數設定，運動系統(tǒng)性能測試等）實驗達到驗證性，同時進一步了解實驗的原理和過程。 本系統(tǒng)采用的是以色列elmo公司的位置伺服控制系統(tǒng)，其驅動器內集成的是motorola公司開發(fā)的電機專用芯片dsp56f805。圖2為用dsp56f805[7][8][9]實現(xiàn)對三相永磁同步電機控制的實驗系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電機速度的閉環(huán)控制。電機位置的檢測采用的是“反電動勢過零檢測法”。其中，過零信號由dsp56f805正交解碼模塊的輸入監(jiān)控寄存器（imr）讀取，pwm 輸出通道屏蔽操作的切換則由寫入pwm模塊的pwm通道控制寄存器（pmccr）的相應msk位實現(xiàn)。pwm模塊被設置為獨立模式，輸出頻率為16khz。程序既可以在dsp56f805 的內部flash 中運行，也可以在evm 板上的外部ram 中運行，這可以通過在程序編譯時進行目標選擇。系統(tǒng)中的并口是用于進行程序目標代碼的下載。這樣，電機運行的啟停和速度調節(jié)控制既可以手工控制，也可以通過計算機進行訪問控制。 擴展實驗 擴展實驗則是在基本實驗的基礎上掌握實驗軟件的流程，熟悉完成本實驗的功能函數。本實驗對象是一個多電機協(xié)調控制系統(tǒng),每個電機都由一個dsp56f805芯片來控制, 從而形成一個以dsp控制器為核心的以控制電機為目的的智能節(jié)點。然后，利用can總線將這些智能節(jié)點連接起來，最后通過以太網構成遠程控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由計算機（pc機）、基于計算機的以太網信息管理終端（網卡）、嵌入式透明網關（多軸控制器）、交流伺服電機和具有dsp的交流伺服驅動器組成[6]。 學生通過實驗指導教師的講授掌握實驗軟件的流程并熟悉完成本實驗的功能函數，在軟件編譯環(huán)境下閱讀軟件代碼，通過運行函數function run（）來實現(xiàn)控制命令解釋，學生對實驗指導書上列舉的實驗，采用vc++開發(fā)曲線控制程序，實現(xiàn)function run（）的功能。然后在熟練掌握tcp/ip、can協(xié)議的基礎上，開發(fā)通信控制接口api，并用mfc開發(fā)一個小型的控制軟件界面，裝載需要開發(fā)的各種曲線控件。 例如:學生可以通過本地計算機（假設ip:10.0.0.23）完成遠程控制can控制器id=004的伺服電機順時針旋轉規(guī)定轉數的實驗，控制id=001號和id=002號的伺服電機協(xié)同工作畫重復圓的實驗。學生要先在實驗指導書上查閱到控制伺服電機的控制命令，然后自己按照實驗的要求得到控制命令，再按照實驗步驟發(fā)送控制命令，最后在ip地址為10.0.0.28計算機終端驗證實驗完成的正確性。 創(chuàng)新實驗 創(chuàng)新實驗是在前兩個實驗的基礎上，為了充分挖掘實驗的潛力和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力而開發(fā)的，要求學生針對實驗軟件自身的不足，通過修改程序代碼來改進實驗軟件。 對于更高層次的研究，學生可以開發(fā)各種數控加工的組件，對南工大現(xiàn)場總線控制軟件的不足部分或者自己在操作實驗中所發(fā)現(xiàn)的實驗軟件的問題進行改進。例如:軟件中沒有開發(fā)數控g代碼等，學生可以在學習了伺服電機的遠程控制代碼的基礎上，嘗試完成新功能的實現(xiàn)。這部分實驗相對難度較大，學生可以多人組成團隊并在實驗老師的指導下完成。 作為學生的課程設計，該實驗裝置預留了很多擴充接口，以備后續(xù)開發(fā)，比如現(xiàn)在很多重要的設備/場合都需要進行視頻監(jiān)控，以往的做法是通過ntsc/pal模擬信號送至中央監(jiān)控室，100個監(jiān)控點需拉100條同軸電纜[6]。若需要將現(xiàn)場的設備狀態(tài)反映在企業(yè)的管理級網絡中，則將上位機連入企業(yè)網內，通過視頻卡數字化和視頻服務器實現(xiàn)視頻圖象在網上傳播。異地查看設備運行狀態(tài)也必須通過internet到企業(yè)網，再到與現(xiàn)場控制器緊密相連的控制系統(tǒng)的i/o服務器取數據?，F(xiàn)在可以采用臺灣上尚公司推出了基于tcp/ip全數字化攝像機，由于學生在自己開發(fā)的軟件中已經實現(xiàn)了tcp/ip控制，所以只需要在自己的軟件中增加相應的控件，就可以通過internet/intranet可以直接操控攝像機或者將實時視頻圖像和過程數據反饋到系統(tǒng)中，由反饋數據通過internet/intranet來操控nut教學用總線伺服系統(tǒng)，視頻遠程控制的目的。 圖2 基于dsp的電機調速系統(tǒng) 結語 本文提出的以太網、can總線和dsp相結合的實驗控制系統(tǒng)為交流伺服的網絡化研究和應用作出了一次有益的新探索。以太網可以通過tcp/ip方面地構成遠程控制網絡，can總線可以很好地滿足控制系統(tǒng)對實時響應的較高要求，同時使用can總線還使得系統(tǒng)具有很好的擴展性能。 nut總線伺服系統(tǒng)可進行多自由度的協(xié)調控制，實現(xiàn)高速（3000r/min）、高精度（16384p/r）、低震動等伺服特性，該技術代表21世紀最新調速及伺服傳動控制，可應用于機器人控制、柔性制造業(yè)等領域。其開發(fā)的學生實驗系統(tǒng)，可提供電機電氣類本科生及研究生開放性試驗平臺，為其認識和掌握現(xiàn)代交流調速及伺服系統(tǒng)奠定必要基礎。該系統(tǒng)集小型、高性能和易用性于一身，在設計時充分考慮學生的特點，開放性好，可結合教學要求，自行設計算法，強調學生的思考能力和動手能力，加深對理論的理解，同時考慮到教師的需要，為教師進行科研開發(fā)創(chuàng)造條件。該系統(tǒng)的研制成功，必將在21世紀的運動控制領域內發(fā)揮重要的作用。