Der SM3100 ist eine Serie von Bewegungssteuerungschips, die auf der direkten Ansteuerung über das serielle SOPC-Protokoll basieren. Er bietet primär die Verarbeitung von seriellen Protokollbefehlen und die Bewegungssteuerung für bis zu vier Achsen. Zu seinen Funktionen gehören T- und S-förmige Beschleunigung/Verzögerung, Positionsverwaltung, Zustandssteuerung und die Speicherung umfangreicher Befehle. Er eignet sich für CNC-Fertigungslinien mit mehreren Knoten oder vernetzte Steuerungssysteme. Viele CNC-Maschinen und automatische Steuerungssysteme, insbesondere Produktionslinien, erfordern häufig die Steuerung mehrerer Knoten und Bewegungssteuerungen mit mehr als zehn Dimensionen/Achsen. Beispiele hierfür sind Stickmaschinen, Druckmaschinen und Verpackungsmaschinen. Weitere wichtige Anwendungen sind solarbetriebene Workstation-Systeme und Steuerungssysteme für Bodenstationen (z. B. terrestrische Fernsehsysteme). In diesen Anwendungen stellen Systemsteuerung, Vernetzung, Verkabelung und Störfestigkeit Herausforderungen dar, die bewältigt werden müssen. Abbildung 1, Abbildung 2 und Abbildung 3 veranschaulichen eine herkömmliche Implementierungsmethode. Dabei wird eine Hauptplatine mit primärer Bewegungssteuerung und Systemverarbeitung verwendet, von der aus Kabel zu den Motortreibern an verschiedenen Positionen der mechanischen Anlage geführt werden. So entsteht ein direktes Mehrpunkt-Steuerungssystem. Dies wird erreicht, indem die Anzahl der bewegungsgesteuerten Achsen erhöht oder mehrere herkömmliche Bewegungssteuerungskarten zur Erweiterung eingesetzt werden, wobei die Mehrachsenverarbeitung auf der Hauptsteuerplatine erfolgt. Ein wesentlicher Nachteil dieses Systems besteht jedoch darin, dass die Signalleitungen bei großen Anlagen oder Steuerungssystemen zu lang und komplex und somit anfällig für Störungen sind. Daher nutzen gängigere Implementierungsmethoden Feldbusse wie RS485 und CAN-Bus für mehrdimensionale/knotenbasierte Bewegungssteuerungssysteme. Dies ist besonders vorteilhaft für die Implementierung von Mehrpunkt- oder vernetzten Steuerungssystemen in großen Anlagen. Die Signalleitungsführung ist einfach, der Protokollstandard einheitlich und das System weist eine gute Störfestigkeit auf (siehe Abbildung 2). Bei diesem Implementierungsschema benötigt die Hauptprozessorplatine keine Funktionalität der Bewegungssteuerungskarte (einige Anlagen benötigen eine Spindelsteuerung); sie muss lediglich die softwareseitige Befehlsübertragung und die Verarbeitung der Mensch-Maschine-Schnittstelle für die Bewegungssteuerung übernehmen. Die Steuerbefehle werden über einen seriellen Bus an die Subprozessorplatine an jedem Knoten übertragen. Die Subprozessorplatine implementiert das serielle Busprotokoll, interpretiert einen vollständigen Befehlssatz und wandelt diesen in eine standardmäßige parallele Busschnittstelle um, um die Subbewegungssteuerungsplatine anzusteuern. Jede Subbewegungssteuerungsplatine kann eine oder mehrere Motorachsen steuern und bildet so ein kleines Mehrachsensystem mit großem räumlichen Regelbereich. Zusammen ergeben sie ein großes Mehrpunkt-Steuerungssystem. Dieses Verfahren nutzt die Vorteile der Feldbussteuerung. Zur Implementierung des seriellen Protokolls und der Befehlsinterpretation sind jedoch zahlreiche zusätzliche Subprozessorplatinen oder Verarbeitungskomponenten erforderlich (wenn Subprozessorplatine und Subbewegungssteuerungsplatine kombiniert werden). Dies führt zu unnötigen Kosten, einer zu simplen Lösung und einer geringeren Systemzuverlässigkeit. Daher ist es unerlässlich, auf zusätzliche Verarbeitungskomponenten und Software auf der Subbewegungssteuerungsplatine zu verzichten und diese Funktion direkt vom Bewegungssteuerungschip ausführen zu lassen. Anders ausgedrückt: Die entsprechenden Funktionen sollten in einen universellen Bewegungssteuerungschip integriert werden. Der SOPC-Bewegungssteuerungschip der SM3100-Serie von Shenzhen Smide Technology Development Co., Ltd. erfüllt diese Anforderung, und das in Abbildung 3 dargestellte optimierte Schema lässt sich damit realisieren. Darüber hinaus gewährleisten die tief vorab gespeicherten Bewegungssteuerungsimpulse die Steuerungsleistung und Zuverlässigkeit des Systems. Im Folgenden werden die Funktionen und Anwendungsbereiche der Chips der SM3100-Serie beschrieben. 1. Einführung in die Funktionen und Prinzipien des SM3100 Mehrachsen-Bewegungssteuerungschips basierend auf serieller Protokollsteuerung: Der SM3100 ist eine Serie von Bewegungssteuerungschips, die auf der direkten Steuerung über das serielle SOPC-Protokoll basieren. Er bietet primär die Verarbeitung von seriellen Protokollbefehlen und die Bewegungssteuerung für bis zu vier Achsen. Zu seinen Funktionen gehören T- und S-Kurven-Beschleunigung/Verzögerung, Positionsverwaltung, Statuskontrolle und die tiefe Vorabspeicherung von Befehlen. Er eignet sich für den Einsatz in CNC-Maschinen in Produktionslinien mit mehreren Knoten oder in vernetzten Steuerungssystemen. 1.1 SM3100 Chip – Merkmale und Funktionen 1.1.1 Merkmale: 2- bis 4-Achsen-Bewegungssteuerung, synchrone, unabhängige Out-of-Band-Steuerung; Direktes serielles Portprotokoll für die Chipsteuerung, ein Master-Port, zwei Slave-Ports; Serieller Port ist ein UART-Port mit automatischer Baudrate bis zu 2 Mbit/s; Implementierung und Interpretation serieller Steuerbefehle; Unterstützt sowohl direkte Befehls- als auch kontinuierliche synchrone Steuermodi; Unterstützt segmentierten Impulszähler-/Befehlspuffer von 2K x 24 Bit pro Achse; Unterstützt 4-Achsen-unabhängige Konstantgeschwindigkeits-, T- und S-förmige Beschleunigungs-/Verzögerungsmodi; Unterstützt 2- bis 4-Achsen-unabhängige Impulsausgangsfrequenz von 500 kHz; Unterstützt die Kaskadierung mehrerer Chips; Unterstützt AB-Phasen-Handradsignaleingang; SOPC-Lösung, Einzelchip, Einzelstromversorgung (3,3 V). 1.1.2 Bewegungssteuerungsfunktionen für jede einzelne Achse: Steuerimpulsausgang; Impulsrichtungsausgang; Servo EIN/AUS, gesteuert durch D7 des Achsensteuerworts; Achsenstatus-I/O 2-0 Ausgang; Impulsausgang aktiviert, nur im Synchronmodus gültig; ABZ-Phasengeber-Eingang; Z-Eingang (vorlaufende Achse); Vorwärts- und Rückwärts-Überfahrsteuerung; zwei Alarmausgänge mit Unterstützung für 6 spezifische Eingänge, 3 Statusausgänge und 4 allgemeine bidirektionale Ein-/Ausgänge pro Achse; 1.1.3 PWM-Signal und Handradeingang: Dieser Chip enthält zwei PWM-Signale mit jeweils einem 8-Bit-Steuerbyte zur Definition des Betriebsmodus. Jeder Grundzyklus dauert 0,2 s. Alle 8 Bits sind 0, Ausgabe 0; alle Bits sind 1, Ausgabe 1. Der Chip verfügt über einen AB-Phasensignal-Handradeingang, der zur Bestimmung der vom Handrad gesteuerten Achse ausgewählt werden kann. 1.2 Struktur des SM3100-Chips: Die interne Struktur dieses Bewegungssteuerungs-Chips ist in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 4 1.3 Einführung in die Technologie und Funktionsweise des SM3100-Chips: 1.3.1 Betriebsmodi der Bewegungssteuerung: Die Umschaltung zwischen den Betriebsmodi dieses Bewegungssteuerungs-Chips ist in Abbildung 5 dargestellt. Abbildung 5. Dieser Chip kann in zwei Modi betrieben werden. Nach dem Einschalten und Zurücksetzen arbeitet der Chip im externen Synchronisationsmodus, wenn der Pin Syn_En=0 für die externe Synchronisierung gültig ist. In diesem Modus kann die UART-Schnittstelle lediglich den Betriebsstatus erkennen und die externe Synchronisierung deaktivieren; die Impulsausgabe kann nicht direkt gesteuert werden. Wenn der Pin Syn_En=1 für die externe Synchronisierung ungültig ist oder die externe Synchronisierung deaktiviert ist, kann der gesamte Betrieb direkt über die UART-Schnittstelle gesteuert werden. Die UART-Schnittstelle des Chips verwendet eine automatische Baudratenerkennung mit einer maximalen Baudrate von 2 MHz. Zur Verwendung der UART-Schnittstelle muss zunächst die Baudrate synchronisiert werden. Dies erfolgt durch Senden der Befehle AAH und 55H vom Host-Computer. Nach erfolgreicher Synchronisierung ist die UART-Schnittstelle betriebsbereit. Die Baudrate muss nach jedem Einschalten und Reset des Chips neu synchronisiert werden. (1) Direkte Bewegungssteuerung: Im Modus der direkten Bewegungssteuerung kann der Host-Computer Befehle über die UART-Schnittstelle senden, um den Betrieb zu steuern. Jeder Befehl steuert dabei nur ein Impulssegment einer Achse. Die vier Achsen können jedoch unabhängig voneinander zeitversetzt angesteuert werden. Alternativ kann jede Achse segmentweise Impulse ausgeben. Die Steuerbefehle sind in der Befehlsliste aufgeführt. (2) Externe synchrone kontinuierliche Bewegungssteuerung: Im Modus der externen synchronen kontinuierlichen Bewegungssteuerung ermöglicht der Chip den gleichzeitigen Betrieb der vier Achsen mit unterschiedlichen Impulszahlen derselben Impulsfolge über das externe Synchronisationssignal „Syn pulse“. Dies erfordert jedoch, dass der Host-Computer die Sequenz der segmentierten Impulsnummern der vier Achsen vorab über die UART-Schnittstelle in den 16Kx8-Bit-SRAM schreibt. Jede Achse unterstützt 1365 Segmente. Die SRAM-Struktur ist in Abbildung 6 dargestellt. Abbildung 6 1.3.2 Geschwindigkeitsmodus Der Bewegungssteuerungs-Chip unterstützt die Impulsausgabemodi Konstantgeschwindigkeit, T-Typ und S-Typ für Beschleunigungs-/Verzögerungsimpulse. Die höchste Impulsausgabefrequenz beträgt 500 kHz. Konstantgeschwindigkeitsmodus: Unterstützt 5 voreingestellte Geschwindigkeitswerte. Diese Geschwindigkeitswerte werden nur im Direktbefehlssteuerungsmodus verwendet. T-Typ-Beschleunigungs-/Verzögerungsmodus (siehe Abbildung 7): Die Impulsgeschwindigkeit wird alle 8 ms automatisch gemäß den vom Benutzer angegebenen Werten für Vs, A und Ve aktualisiert. Abbildung 7 S-Typ-Beschleunigungs-/Verzögerungsmodus (siehe Abbildung 8): Die Impulsgeschwindigkeit wird alle 8 ms automatisch gemäß den vom Benutzer angegebenen Werten für Vs, A, K und Ve aktualisiert. Abbildung 8 1.3.3 Befehlsimplementierungsform (1) Befehlsformat: Befehle und Parameter werden über UART an den Steuerchip gesendet. Es gibt vier Formate (siehe Tabelle 1). Tabelle 1 (2) Befehlsbeispiele (siehe Tabelle 2) Tabelle 2 Der Steuerchip kann vier Achsen gleichzeitig steuern. Diese vier Achsen werden vollständig unabhängig voneinander programmiert und können ein externes Synchronisationssignal als Startsignal für die Segmentsynchronisation gemeinsam nutzen. Daher ist das Programmierbefehlsformat für alle vier Achsen identisch. Die Programmierbefehlsnummer der X-Achse wird durch das Befehlssegment 00H-1FH, die der Y-Achse durch 20H-3FH, die der Z-Achse durch 40H-5FH und die der W-Achse durch 60H-7FH dargestellt. 1.4 Einstellung der UART-Baudrate Der SM3100-Chip verwendet eine automatische Baudratenerkennung. Durch Senden von 0x55 an den Haupt-UART-Port wird jederzeit eine neue Baudrate eingestellt. Der automatische Erkennungsmechanismus funktioniert wie folgt: Wenn die Baudrate F bereits erfolgreich eingestellt wurde und die neue gewünschte Baudrate nicht F ist, führt das Senden von 0x55 zu einem Empfangsfehler, und der Chip ermittelt die neue Baudrate automatisch neu. Tests haben gezeigt, dass das dreimalige Senden von 0x55 in Folge die neue Baudrate korrekt einstellt. Um eine zuverlässige Baudrateneinstellung zu gewährleisten, sollte zwischen zwei 0x55-Signalen ein Abstand von einem Zeichen (8-Bit-Zeit) eingehalten werden. Beim Ändern der Baudrate ist eine beliebige Anzahl von 0x55-Signalen zulässig. 0x55-Signale nach der korrekt eingestellten Baudrate werden nicht als gültige Befehle oder Parameter betrachtet. Nur neue, nicht 0x55-Signale gelten als gültige Befehle oder Parameter. Wichtig: Beim Aktualisieren der Baudrate sollte man mit dem Befehlsbyte und nicht mit dem Befehlsparameter beginnen, da sonst nachfolgende Befehle oder Parameter fehlerhaft sein können. Wird 0x55 ohne Änderung der Baudrate gesendet, wird dies als Befehl interpretiert. (Ursprünglich als gültiger Befehl definiert, ist 0x55 nun ungültig.) Nach einem Neustart (Reset-Zeit < 150 µs) befindet sich der Chip standardmäßig im Zustand „Baudrate ungültig, bereit zum Empfangen von Befehlen“ und muss daher neu eingestellt werden. 2. Anwendung des SM3100-Chips in der seriellen Mehrpunkt-Netzwerksteuerung. Der SM3100-Chip ermöglicht die direkte serielle Steuerung über eine schnelle UART-Schnittstelle. Über die UART empfangene Befehle und Daten werden zur Interpretation an das Befehlsinterpretationsmodul gesendet, wodurch die Bewegungssteuerung abgeschlossen wird. Auf der physikalischen Schicht werden üblicherweise die Protokolle RS232 und RS485 zur Datenübertragung verwendet. RS232 eignet sich nur für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über kurze Distanzen, während der RS485-Bus ideal für die Übertragung über große Entfernungen und die Vernetzung in der industriellen Steuerung zur Steuerung mehrerer Knoten geeignet ist. 2.1 RS485-Bus Die technischen Eigenschaften des RS485-Busses werden hier nicht näher erläutert. Abbildung 9 zeigt das Netzwerkdiagramm; Abbildung 10 zeigt die Anordnung des Signalflussprotokolls in Kombination mit der Anwendung des Bewegungssteuerungs-Chips SM3100. Abbildung 9 Abbildung 10 Abbildung 11 2.2 Anwendungsbeispiele für den SM3100 in Kombination mit dem RS485-Bus 2.2.1 Steuerungssystem für computergesteuerte Stickmaschinen Abbildung 11 zeigt eine große computergesteuerte Stickmaschine mit mehr als zehn Achsen. Das Prinzip ihres Steuerungssystems ist in Abbildung 12 zusammengefasst. Abbildung 12 Im Betrieb übernimmt die Hauptprozessorplatine die Bewegungssteuerung der Stickmaschinenspindel (Servomotor) und die Positionsmessung der Spindel. Basierend auf den gemessenen Positionsinformationen werden serielle Bewegungssteuerungsbefehle erstellt und an die einzelnen Substeuerkarten gesendet, sodass die entsprechenden Motoren (Schrittmotoren) der Substeuerkarten die entsprechenden Aktionen ausführen. Dies ist ein Positionsfolgeprozess, der die Synchronisation und Koordination im Betrieb gewährleistet. Die Hauptprozessorplatine enthält Software zur Verarbeitung der Verarbeitungsdaten, d. h. der Musterdaten und der von CAD/CAM generierten Daten, und sendet diese nacheinander mit seriellen Bewegungssteuerungsbefehlen an die einzelnen Subplatinen. 2.2.2 Steuerungssystem für Solaranlagen Abbildung 13 zeigt eine moderne Solaranlage mit einem Solarturm und Dutzenden von Solarreflektoren. Abbildung 13 veranschaulicht das Funktionsprinzip dieses Systems: Alle Reflektoren sind zur Sonne ausgerichtet, sodass das Licht auf den Solarturm fokussiert wird, wo es photoelektrisch umgewandelt wird. Der Schlüssel zur Systemsteuerung liegt daher in der Echtzeit-Bewegungssteuerung jedes einzelnen Reflektors durch das zentrale Steuerungssystem. Dieses stellt sicher, dass die Reflektoren auf die Sonne ausgerichtet sind und koordiniert ihre Bewegung, um das reflektierte Licht auf einen einzigen Punkt zu bündeln. Dies wird mithilfe des in Abbildung 3 dargestellten Systemschemas erreicht, indem kontinuierlich Positionskorrekturbefehle über einen RS485-Bus an jeden Reflektor gesendet werden. Typischerweise wird jeder Reflektor von einem Servosystem gesteuert, was eine präzise Positionierung ermöglicht.