1 前言

　　伺服驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)位置跟隨控制設(shè)備，往往只有控制電機(jī)跟隨運(yùn)動(dòng)指令的功能，因此常常與PLC或運(yùn)動(dòng)控制器一起構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，完成期望的運(yùn)動(dòng)。

　　某些伺服驅(qū)動(dòng)器具有運(yùn)動(dòng)序列表(Motion Sequence)功能。用戶可以通過(guò)配置運(yùn)動(dòng)序列表在伺服里定義一系列需要的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，并通過(guò)一些條件來(lái)連接這些運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。但是通過(guò)運(yùn)動(dòng)序列表只能完成相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)定義過(guò)的邏輯功能，因此只能在一些很簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合下替代PLC或運(yùn)動(dòng)控制器。

　　在很多行業(yè)應(yīng)用中，出于壓縮成本的考慮，很多客戶希望在伺服驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)部分PLC邏輯功能和運(yùn)動(dòng)控制功能，使得在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中可以不需要PLC或者使用僅有簡(jiǎn)單邏輯控制的價(jià)格便宜的PLC來(lái)代替帶有運(yùn)動(dòng)控制功能的價(jià)格高的PLC，

　　以此來(lái)降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和減低成本。因此，帶有邏輯控制功能的伺服驅(qū)動(dòng)器將大有用武之地。

　　2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　2.1設(shè)計(jì)方案選擇

　　在伺服控制器中實(shí)現(xiàn)邏輯控制，主要有兩種方法：

　　(1)將PLC設(shè)計(jì)到伺服控制器中，使用PLC軟件來(lái)編寫(xiě)梯形圖，下載到伺服控制器中運(yùn)行。

　　(2)在伺服控制器中設(shè)計(jì)一個(gè)腳本解釋器，來(lái)解釋用戶編寫(xiě)的腳本邏輯。

　　方法1需要在伺服控制器中增加相應(yīng)PLC的硬件來(lái)執(zhí)行PLC的固件系統(tǒng)，因此伺服控制器硬件成本會(huì)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(shí)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(xiě)腳本邏輯，并通過(guò)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(xiě)及翻譯

　　? 伺服驅(qū)動(dòng)器端的腳本邏輯解釋器

圖 2

　　3 腳本的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　3.1腳本語(yǔ)言的設(shè)計(jì)

　　腳本語(yǔ)言的設(shè)計(jì)需要完成：

　　? 指令集的設(shè)計(jì)

　　? 語(yǔ)法的設(shè)計(jì)

　　? 指令及語(yǔ)法的錯(cuò)誤檢查

　　3.1.1指令集的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)設(shè)備需要完成的基本邏輯行為，設(shè)計(jì)相應(yīng)的指令集。

　　對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，基本邏輯行為主要有以下幾點(diǎn)：

　　(1)邏輯運(yùn)算相關(guān)指令

　　? 內(nèi)存讀寫(xiě)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(yùn)動(dòng)相關(guān)

　　? 速度值設(shè)置指令

　　? 加減速度值設(shè)置指令

　　? 位置值設(shè)置指令

　　? 速度運(yùn)動(dòng)指令

　　? 相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)指令

　　? 絕對(duì)位置運(yùn)動(dòng)指令

　　? 點(diǎn)動(dòng)指令

　　? 尋原點(diǎn)指令

　　? 速度/位置/電流讀取指令

　　(3)外設(shè)

　　? 定時(shí)器時(shí)間設(shè)置指令

　　? 定時(shí)器計(jì)時(shí)完成讀取指令

　　3.1.2語(yǔ)法的設(shè)計(jì)

　　所有語(yǔ)句以 “S::” 開(kāi)頭，以”;”結(jié)束。

　　整個(gè)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(gè)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(gè)32位的內(nèi)存空間(MD)，用戶可以用于存儲(chǔ)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(jì)算的中間結(jié)果等。

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

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

圖 3

　　3.2腳本編譯器的設(shè)計(jì)

　　腳本編譯器的設(shè)計(jì)需要完成：

　　? 編譯方法的選擇

　　? 腳本語(yǔ)法的解析

　　? 編譯目標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　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(jìn)制文件，如PLC等;

　　? 由解釋器直接來(lái)解釋源代碼執(zhí)行，如EXCEL VBA等。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)沒(méi)有操作系統(tǒng)或微多任務(wù)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(huì)面臨很大的問(wèn)題。

　　伺服驅(qū)動(dòng)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(duì)腳本文本代碼的字符串處理會(huì)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(jìn)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(dòng)器中。在伺服驅(qū)動(dòng)器里的解釋器再來(lái)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(diǎn)，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(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)池里包含一個(gè)對(duì)應(yīng)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(gè)腳本功能承上啟下的核心。

　　3.2.2腳本語(yǔ)法的解析

　　在PC上的編譯下載小工具中，通過(guò)字符串解析來(lái)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(guān)鍵字把拆分該行字符串拆解成n份

　　(4)將每一份信息填寫(xiě)到對(duì)應(yīng)Motion和Event數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)池的目標(biāo)結(jié)構(gòu)體中相應(yīng)的IF/THEN位置

　　(5)將目標(biāo)結(jié)構(gòu)體通過(guò)USB線纜下載到伺服驅(qū)動(dòng)器中。

　　3.2.3編譯目標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　目標(biāo)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(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)池里包含一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)組。例如有一個(gè)腳本邏輯，用到了3個(gè)Motion。第一個(gè)Motion里包含5個(gè)Event，第二個(gè)里也包含5個(gè)Event，第三個(gè)里包含3個(gè)Event。則總共用到了13個(gè)Event。

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

圖 5

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

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

　　條件結(jié)構(gòu)體

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

　　行為結(jié)構(gòu)體

　　一個(gè)行為結(jié)構(gòu)體就相當(dāng)于腳本代碼中一個(gè)THEN語(yǔ)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(gè)記錄有腳本邏輯信息的結(jié)構(gòu)體數(shù)組。通過(guò)USB電纜，將這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組下載到伺服驅(qū)動(dòng)器中，由伺服驅(qū)動(dòng)器中的腳本解釋器來(lái)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(shè)計(jì)

　　腳本解釋器的設(shè)計(jì)需要完成：

　　? 解釋器的執(zhí)行流程設(shè)計(jì)

　　? 對(duì)編譯目標(biāo)結(jié)構(gòu)體中條件的判斷

　　? 對(duì)編譯目標(biāo)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(shè)計(jì)

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

圖 6

　　3.3.2對(duì)編譯目標(biāo)結(jié)構(gòu)體中條件的判斷

　　在每個(gè)Motion循環(huán)周期的開(kāi)始，都要先讀取伺服驅(qū)動(dòng)器的所有有關(guān)變量，包括當(dāng)前位置，當(dāng)前速度，當(dāng)前電流值， 當(dāng)前時(shí)鐘狀態(tài)，當(dāng)前數(shù)字量輸入值，和當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息。這些信息會(huì)在條件判斷時(shí)使用。

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

　　3.3.3對(duì)編譯目標(biāo)結(jié)構(gòu)體中行為的執(zhí)行

　　當(dāng)Event結(jié)構(gòu)體中相應(yīng)的Event條件滿足時(shí)，解釋器開(kāi)始執(zhí)行該Event結(jié)構(gòu)體中對(duì)應(yīng)的行為結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容。在行為結(jié)構(gòu)體中，會(huì)記錄每一個(gè)語(yǔ)句的執(zhí)行順序，解釋器會(huì)按照?qǐng)?zhí)行順序號(hào)，按順序執(zhí)行。執(zhí)行時(shí)，解釋器會(huì)先按照順序號(hào)讀取行為結(jié)構(gòu)體中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并調(diào)用伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的命令函數(shù)來(lái)完成執(zhí)行。

　　比如對(duì)于指令：

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

　　解釋器會(huì)順序執(zhí)行:

　　? 調(diào)用伺服內(nèi)部DO強(qiáng)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(duì)運(yùn)動(dòng)函數(shù)，并將10000作為參數(shù)傳給該函數(shù)，使電機(jī)向正方向運(yùn)行10000個(gè)脈沖。

　　3.4 腳本調(diào)試器的設(shè)計(jì)

　　3.4.1調(diào)試器界面

圖 7

　　斷點(diǎn)設(shè)置區(qū)：用來(lái)設(shè)置斷點(diǎn)在腳本代碼中的位置

　　當(dāng)前狀態(tài)區(qū)：用來(lái)顯示當(dāng)前腳本運(yùn)行狀態(tài)

　　變量選擇區(qū)：用來(lái)選擇需要寫(xiě)或監(jiān)視的變量

　　變量監(jiān)視區(qū)：用來(lái)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)視變量的值

　　變量賦值區(qū)：用來(lái)給所選變量寫(xiě)入一個(gè)值

　　調(diào)試操作區(qū)：設(shè)置斷點(diǎn)/全速/單步/暫停/退出

　　3.4.2斷點(diǎn)列表

　　在LXM16D中，最多同時(shí)可以設(shè)置4個(gè)斷點(diǎn)，另外還有一個(gè)為單步調(diào)試服務(wù)的臨時(shí)斷點(diǎn)，因此斷點(diǎn)列表能記錄5個(gè)斷點(diǎn)位置。

　　用戶設(shè)置的斷點(diǎn)位置信息存放在斷點(diǎn)列表中。斷點(diǎn)列表中每個(gè)斷點(diǎn)位置信息包含以下幾點(diǎn)：

　　? Motion號(hào)

　　? Event號(hào)

　　? 斷點(diǎn)位置(IF或THEN的前面)

　　? 該斷點(diǎn)是否使能

　　例如：

圖 8

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

　　斷點(diǎn)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(shè)置更多的斷點(diǎn)。

　　3.4.3調(diào)試器流程設(shè)計(jì)

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

　　? 在斷點(diǎn)處停下后，整個(gè)腳本不再執(zhí)行;

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

　　腳本功能為一個(gè)獨(dú)立的功能塊，該功能塊在伺服驅(qū)動(dòng)器固件中的主循環(huán)中被調(diào)用，每個(gè)主循環(huán)周期調(diào)用一次。圖9為調(diào)試器流程圖，從“開(kāi)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(shè)備的智能化是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，它可以讓系統(tǒng)終端設(shè)備處理局部數(shù)據(jù)，從而大大降低整個(gè)系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)的復(fù)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(dòng)器LXM16D，在機(jī)床刀庫(kù)、物流分揀、碼垛機(jī)械臂等領(lǐng)域都得到了成功應(yīng)用。