1 前言

　　伺服驅(qū)動器作為一個位置跟隨控制設備，往往只有控制電機跟隨運動指令的功能，因此常常與PLC或運動控制器一起構(gòu)成一個運動控制系統(tǒng)，完成期望的運動。

　　某些伺服驅(qū)動器具有運動序列表(Motion Sequence)功能。用戶可以通過配置運動序列表在伺服里定義一系列需要的運動動作，并通過一些條件來連接這些運動動作。但是通過運動序列表只能完成相對簡單的系統(tǒng)定義過的邏輯功能，因此只能在一些很簡單的邏輯運動場合下替代PLC或運動控制器。

　　在很多行業(yè)應用中，出于壓縮成本的考慮，很多客戶希望在伺服驅(qū)動器中實現(xiàn)部分PLC邏輯功能和運動控制功能，使得在系統(tǒng)方案設計中可以不需要PLC或者使用僅有簡單邏輯控制的價格便宜的PLC來代替帶有運動控制功能的價格高的PLC，

　　以此來降低系統(tǒng)設計復雜度和減低成本。因此，帶有邏輯控制功能的伺服驅(qū)動器將大有用武之地。

　　2 系統(tǒng)方案設計

　　2.1設計方案選擇

　　在伺服控制器中實現(xiàn)邏輯控制，主要有兩種方法：

　　(1)將PLC設計到伺服控制器中，使用PLC軟件來編寫梯形圖，下載到伺服控制器中運行。

　　(2)在伺服控制器中設計一個腳本解釋器，來解釋用戶編寫的腳本邏輯。

　　方法1需要在伺服控制器中增加相應PLC的硬件來執(zhí)行PLC的固件系統(tǒng)，因此伺服控制器硬件成本會增加，不符合用戶降

　　低成本的初衷。

　　方法2是一種純軟件的方案，可以在伺服控制器的處理器中實現(xiàn)腳本解釋執(zhí)行的功能，因此不需要增加成本，符合用戶需求。

　　因此在本方案中選擇方法2作為解決方案。用戶可以在PC上編寫腳本邏輯，并通過USB線纜下載到伺服控制器中。如圖1所示。

圖 1

　　2.2腳本的組成結(jié)構(gòu)

　　腳本整體由兩大部分組成：

　　? PC端的腳本邏輯編寫及翻譯

　　? 伺服驅(qū)動器端的腳本邏輯解釋器

圖 2

　　3 腳本的設計實現(xiàn)

　　3.1腳本語言的設計

　　腳本語言的設計需要完成：

　　? 指令集的設計

　　? 語法的設計

　　? 指令及語法的錯誤檢查

　　3.1.1指令集的設計

　　根據(jù)設備需要完成的基本邏輯行為，設計相應的指令集。

　　對于伺服驅(qū)動器來說，基本邏輯行為主要有以下幾點：

　　(1)邏輯運算相關指令

　　? 內(nèi)存讀寫指令

　　? 加減乘除取模指令

　　? 與或非指令

　　? 比較指令

　　? 跳轉(zhuǎn)指令

　　? 循環(huán)指令

　　(2)運動相關

　　? 速度值設置指令

　　? 加減速度值設置指令

　　? 位置值設置指令

　　? 速度運動指令

　　? 相對位置運動指令

　　? 絕對位置運動指令

　　? 點動指令

　　? 尋原點指令

　　? 速度/位置/電流讀取指令

　　(3)外設

　　? 定時器時間設置指令

　　? 定時器計時完成讀取指令

　　3.1.2語法的設計

　　所有語句以 “S::” 開頭，以”;”結(jié)束。

　　整個程序結(jié)構(gòu)由下面3種功能塊組成：

　　? Param block

　　? Init block

　　? Motion block

　　Param Block用于用戶參數(shù)配置。腳本為用戶提供16個32位的可配置參數(shù)空間，用戶可工藝所需的速度位置信息等。例如：

　　nit Block用于初始化腳本所需變量和配置系統(tǒng)參數(shù)。腳本為用戶提供50個32位的內(nèi)存空間(MD)，用戶可以用于存儲腳本邏輯編程中的中間變量。比如讀取到的速度位置值，或者計算的中間結(jié)果等。

　　Motion Block是用于腳本邏輯編寫。其中每個Motion Block由1個或多個Event組成。每個event包括一個IF條件語句和一個THEN執(zhí)行語句。例如：

　　一個motion block就是一個死循環(huán)(圖3中紅色箭頭)，跳轉(zhuǎn)指令NextMotionID就是這個死循環(huán)的出口。而在motion block內(nèi)，腳本語句按event號順序執(zhí)行。如圖3所示。

圖 3

　　3.2腳本編譯器的設計

　　腳本編譯器的設計需要完成：

　　? 編譯方法的選擇

　　? 腳本語法的解析

　　? 編譯目標的結(jié)構(gòu)設計

　　3.2.1編譯方法的選擇

　　程序文本的編譯執(zhí)行通常有兩種方法：

　　? 把文本整體編譯成CPU可執(zhí)行的二進制文件，如PLC等;

　　? 由解釋器直接來解釋源代碼執(zhí)行，如EXCEL VBA等。

　　伺服驅(qū)動器是一個沒有操作系統(tǒng)或微多任務操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，因此如果采取方式一，先編譯器整體編譯再執(zhí)行的方式，伺服自身的代碼與腳本編譯的代碼之間的鏈接難度較大，而且腳本源碼的調(diào)試會面臨很大的問題。

　　伺服驅(qū)動器是CPU和內(nèi)存資源都比較少的嵌入式系統(tǒng)，因此如果采取方式二，邊解釋邊執(zhí)行的方式，直接對腳本文本代碼的字符串處理會消耗大量的CPU資源，所以也并不適用。

　　結(jié)合以上分析，我們采取了折中的方式，在PC端先進行一次編譯，將腳本文本代碼邏輯編譯成一種特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下載到伺服驅(qū)動器中。在伺服驅(qū)動器里的解釋器再來解釋執(zhí)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里的內(nèi)容。

　　根據(jù)腳本代碼的特點，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為Motion和Event兩種，并有各自的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)池，每個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)池里包含一個對應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)組，如圖4所示。

圖 4

　　Motion和Event 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)池的本質(zhì)是結(jié)構(gòu)體數(shù)組，也是整個腳本功能承上啟下的核心。

　　3.2.2腳本語法的解析

　　在PC上的編譯下載小工具中，通過字符串解析來處理出所需信息，步驟如下：

　　(1)讀取腳本文件中一行信息，摘取”S::”到”;”之間的字符串

　　(2)判斷該行是MotionID/EventID/IF/THEN行

　　(3)以 “AND”和”O(jiān)R”關鍵字把拆分該行字符串拆解成n份

　　(4)將每一份信息填寫到對應Motion和Event數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)池的目標結(jié)構(gòu)體中相應的IF/THEN位置

　　(5)將目標結(jié)構(gòu)體通過USB線纜下載到伺服驅(qū)動器中。

　　3.2.3編譯目標的結(jié)構(gòu)設計

　　目標數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為Motion和Event兩種，并有各自的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)池，每個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)池里包含一個對應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)組。例如有一個腳本邏輯，用到了3個Motion。第一個Motion里包含5個Event，第二個里也包含5個Event，第三個里包含3個Event。則總共用到了13個Event。

　　MotionPool 與Event Pool之間的聯(lián)系如圖5所示。

圖 5

　　Motion Pool由多個Motion結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)體大致如下：

　　Event Pool由多個Event結(jié)構(gòu)組成，一個Event結(jié)構(gòu)體由一個條件結(jié)構(gòu)體和一個行為結(jié)構(gòu)體兩部分組成。

　　條件結(jié)構(gòu)體

　　一個條件結(jié)構(gòu)體就相當于腳本代碼中一個IF語句拆分后的條件表格，比如：

　　行為結(jié)構(gòu)體

　　一個行為結(jié)構(gòu)體就相當于腳本代碼中一個THEN語句拆分后的行為表格。

　　編譯結(jié)束后，我們將得到MotionPool和EventPool兩個記錄有腳本邏輯信息的結(jié)構(gòu)體數(shù)組。通過USB電纜，將這兩個結(jié)構(gòu)體數(shù)組下載到伺服驅(qū)動器中，由伺服驅(qū)動器中的腳本解釋器來解釋執(zhí)行結(jié)構(gòu)體中記錄的腳本邏輯信息。

　　3.3腳本解釋器的設計

　　腳本解釋器的設計需要完成：

　　? 解釋器的執(zhí)行流程設計

　　? 對編譯目標結(jié)構(gòu)體中條件的判斷

　　? 對編譯目標結(jié)構(gòu)體中行為的執(zhí)行

　　3.3.1解釋器的執(zhí)行流程設計

　　解釋器默認從Motion0開始執(zhí)行，從 Motion0中Event0開始順序執(zhí)行每個Event，執(zhí)行到motion0中的最后一個Event后回到Event0循環(huán)執(zhí)行。如果執(zhí)行到某個Event中的行為表(THEN)中的NextMotionID指令，則直接跳轉(zhuǎn)到下一個Motion，并從Event0開始循環(huán)執(zhí)行。流程圖如圖6所示。

圖 6

　　3.3.2對編譯目標結(jié)構(gòu)體中條件的判斷

　　在每個Motion循環(huán)周期的開始，都要先讀取伺服驅(qū)動器的所有有關變量，包括當前位置，當前速度，當前電流值， 當前時鐘狀態(tài)，當前數(shù)字量輸入值，和當前運動狀態(tài)等信息。這些信息會在條件判斷時使用。

　　在目前的LXM16產(chǎn)品中，為了簡單起見，邏輯條件中只有“與”，而沒有“或”和“非”兩個條件。因此，對條件的判斷得到了大大的簡化。解釋器只需要對Event結(jié)構(gòu)體中的條件結(jié)構(gòu)體中的每一個條件進行判斷，只有所有條件都為“TRUE”，才算條件成立。

　　3.3.3對編譯目標結(jié)構(gòu)體中行為的執(zhí)行

　　當Event結(jié)構(gòu)體中相應的Event條件滿足時，解釋器開始執(zhí)行該Event結(jié)構(gòu)體中對應的行為結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容。在行為結(jié)構(gòu)體中，會記錄每一個語句的執(zhí)行順序，解釋器會按照執(zhí)行順序號，按順序執(zhí)行。執(zhí)行時，解釋器會先按照順序號讀取行為結(jié)構(gòu)體中的相應數(shù)據(jù)，并調(diào)用伺服驅(qū)動器內(nèi)部的命令函數(shù)來完成執(zhí)行。

　　比如對于指令：

　　S:: THEN DO_0=HIGH ANDRelativeTarget Position=10000;

　　解釋器會順序執(zhí)行:

　　? 調(diào)用伺服內(nèi)部DO強制輸出函數(shù)，并將1作為參數(shù)傳給該函數(shù)，使DO_0輸出高

　　? 調(diào)用伺服內(nèi)部相對運動函數(shù)，并將10000作為參數(shù)傳給該函數(shù)，使電機向正方向運行10000個脈沖。

　　3.4 腳本調(diào)試器的設計

　　3.4.1調(diào)試器界面

圖 7

　　斷點設置區(qū)：用來設置斷點在腳本代碼中的位置

　　當前狀態(tài)區(qū)：用來顯示當前腳本運行狀態(tài)

　　變量選擇區(qū)：用來選擇需要寫或監(jiān)視的變量

　　變量監(jiān)視區(qū)：用來實時顯示監(jiān)視變量的值

　　變量賦值區(qū)：用來給所選變量寫入一個值

　　調(diào)試操作區(qū)：設置斷點/全速/單步/暫停/退出

　　3.4.2斷點列表

　　在LXM16D中，最多同時可以設置4個斷點，另外還有一個為單步調(diào)試服務的臨時斷點，因此斷點列表能記錄5個斷點位置。

　　用戶設置的斷點位置信息存放在斷點列表中。斷點列表中每個斷點位置信息包含以下幾點：

　　? Motion號

　　? Event號

　　? 斷點位置(IF或THEN的前面)

　　? 該斷點是否使能

　　例如：

圖 8

　　其中有一個為單步執(zhí)行服務的臨時斷點。當使用單步調(diào)試時，表中臨時斷點行記錄的是當前斷點位置的下一個位置。腳本解釋器一邊執(zhí)行腳本邏輯一邊檢查當前位置是否在斷點列表中，如果當前位置在列表中，則停止執(zhí)行腳本邏輯。

　　斷點列表的大小可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)存情況裁剪。如果系統(tǒng)內(nèi)存允許，可以設置更多的斷點。

　　3.4.3調(diào)試器流程設計

　　與其他代碼調(diào)試器一樣，腳本調(diào)試器的設計也必須要滿足以下兩點：

　　? 在斷點處停下后，整個腳本不再執(zhí)行;

　　? 在斷點處停下后，再執(zhí)行全速或單步，腳本要從斷點處開始執(zhí)行。

　　腳本功能為一個獨立的功能塊，該功能塊在伺服驅(qū)動器固件中的主循環(huán)中被調(diào)用，每個主循環(huán)周期調(diào)用一次。圖9為調(diào)試器流程圖，從“開始”到“結(jié)束”為腳本功能塊執(zhí)行 一次。

圖9

　　4 小結(jié)

　　終端設備的智能化是一個發(fā)展趨勢，它可以讓系統(tǒng)終端設備處理局部數(shù)據(jù)，從而大大降低整個系統(tǒng)核心設計的復雜度，從而更好地控制系統(tǒng)成本。帶有腳本功能的伺服驅(qū)動器LXM16D，在機床刀庫、物流分揀、碼垛機械臂等領域都得到了成功應用。