1、2010年 2月 第 38卷 第 3期機床與液壓MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CSFeb 12010Vol 138No 13收稿日期 :2009-01-19作者簡介 :劉濤 (1979 , 男 , 講師 , 主要從事工業機器人控制方面的研究 。 E -mail:hrbeu411jys1631com 。基于 C AN 總線的多電機協調運動控制系統研究劉濤 , 王宗義 , 孔慶磊 , 武光田(哈爾濱工程大學自動化學院 , 黑龍江哈爾濱 150001摘要 :多電機協調運動控制系統在工業領域中的應用越來越廣泛 , 深入研究多電機的協調運動控制 , 提高其同步精度 具

2、有重要的意義 。 提出基于 C AN 總線的多電機運動控制系統結構 , 設計基于 SJA1000的具有 C AN 總線通信功能的硬件模 塊和軟件模塊 。 實際運行結果表明該運動控制系統的各項技術參數均滿足工藝要求 。關鍵詞 :多電機協調運動 ; C AN 總線 ; SJA1000中圖分類號 :TP273 文獻標識碼 :B 文章編號 :1001-3881(2010 3-075-3Research on M ulti 2m otor M oti on Con trol System Ba sed on CAN BusL I U Tao, WANG Z ongyi, K ONG Q inglei,

3、WU Guangtian(College of Aut omati on, Harbin Engineering University, Harbin Heil ongjiang 150001, China Abstract:M ulti 2mot or moti on contr ol syste m is used more and more widely in industrial area . It s i m portant t o i m p r oving syn 2chr onized accuracy of multi 2mot or moti on contr ol sys

4、te m.The structure of multi 2mot or moti on contr ol syste m was p r oposed based onCAN bus . The hard ware module and s oft w are module with the functi on of CAN bus communicati on were designed based on SJA1000. Practical results show the technical parameters of this contr ol system meet technol

5、ogy require ments .Keywords:Multi 2mot or moti on contr ol system; C AN bus; SJA1000 運動控制在工業生產中的作用舉足輕重 , 多電機 21世紀以來 , 應用越來越廣泛 , 。 諸如印刷設備、 印染設備和 軋鋼等有著多個分散工作機構的大型設備 , 只有保證 多個電機之間按某種比例關系同步協調運轉 , 才能確 保生產的正常運行 ; 系統同步性能的好壞 , 直接影響 到產品的品質和性能 。 因此 , 深入研究多電機的協調 運動控制 , 提高其同步精度具有重要的意義 。長期以來多電機傳動協調控制一直采用集散控 制 ,

6、集散控制系統 (DCS 是一種專用的封閉的系 統 , 有著自身難以克服的缺點 。 CAN 總線是現場總 線的一種 , 是支持分布式實時控制系統的串行通信局 域網 , 具有高性能、高可靠性、 實時性等優點。 基于 現場總線的分布式控制系統 (FCS 適應了工業控制 系統向分散化、 網絡化 、 智能化的發展方向 , 是一種 開放性好、低成本 、高可靠性控制系統。繼 DCS 后 的 FCS 運用于多電機傳動協調控制得到了越來越多 的關注。 1 系統總體設計111 傳統的多電機協調控制 DCS 系統多電機協調控制系統中 , 第一臺電機為主令電 機 , 決定了系統的協調轉速 , 其他電機稱為從動電機 ,

7、 DCS 系統 , , 控制系統要解決的問題是根據生產 工藝的要求決定多電機的協調轉速 , 構成獨立的轉速 定值閉環控制系統 。 各電機的轉速大小、 負荷相互獨 立 , 各個閉環回路中控制器的控制規律和控制參數也 按常規雙閉環調速系統設計考慮 。112 基于 CAN 總線的多電機協調運動控制系統現場總線打破了傳統控制系統一對一的結構形 式 , 采用智能現場設備 , 把原先 DCS 系統中處于控 制室的控制模塊、 各輸入輸出模塊置于現場設備中 , 加上現場設備具有通信能力 , 現場的測量變送儀表可 以與閥門等執行機構直接傳送信號 , 因而控制系統功 能的實現能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表 ,

8、 直 接在現場完成 , 實現分散控制。CAN 協議分為不同層次 :目標層、傳輸層、物 理層。 目標層和物理層完成 IS O /OSI模塊定義的數據 鏈路層功能。 它可以非常有效地構成分布式實時過程 監測和控制系統 , 并且具有非常高的可靠性。 CAN 總線規范了任意兩個節點之間的兼容性 , 包括電氣特 性及數據解釋協議 , 保證設計的透明性及執行的靈活 性。基于 CAN 總線的多電機協調運動控制系統采用 分布式控制結構 , 整個控制系統分上位機和下位機兩 大部分 , 下位機的每個控制模塊都有 CAN 通訊功能 。 在底層控制各個電機的運動控制模塊和完成遠控盒按 鍵識別的控制模塊組成下位機部分

9、, 每個電機運動控 制模塊控制一個電機的運動 , 相互之間通過 CAN 總 線協議傳遞協調信息 , 來達到協調運動的目的。上位 機的硬件主要包括兩個部分 , 工業級 PC104和 CAN 卡。 PC 機選用盛博科技的 PC104計算機 , CAN 卡選 用周立功公司的 PC104CAN2I 。控制系統總體設計圖 如圖 1所示。圖 1 控制系統總體設計圖為了完成上述設計目標 , 模塊間 、 模塊與上位機 之間通訊系統要求接口簡單、可靠性高 、應用靈活 、 實時性高、 性價比高并且支持多主通訊 、 遠距離通訊 等 , CAN 總線通訊以其自身的優點被該系統選作通 訊系統的實現方式。2 具有 CAN

10、 通訊功能的電機控制模塊的硬件設計 運動控制模塊節點結構框圖如圖 2所示。圖 2 運動控制模塊節點結構框圖運動控制模塊各功能塊實現的功能如下 :(1 微控制器負責整個節點模塊的運行管理 、 數據存儲、 任務調度 、 狀態反饋、 在線燒寫等 。 (2 通信模塊負責上下位機信息通信 , 節點間 命令傳送、 數據傳送等。 存儲模塊負責記錄主機下發 給各個節點的數據表 , 并在自動運行時 , 按照一定格 式讀出數據表 , 根據命令進行執行。(3 在線燒寫模塊負責更新單片機程序。(4 電機信號處理模塊負責對單片機輸出的脈 沖信號進行處理 , 經放大、 驅動處理 , 供控制電機使 用。(5 檢測信號處理模

11、塊負責檢測各軸運動的極 限位置 , 并進行報警 , 或者檢測各軸運動特定位置信 息 , 進行處理。(6 按鍵處理模塊負責對遠處遠控盒的信息進 行辨別 , 并啟動響應處理程序。從成本和難易程度考慮 , 系統采用 Phili p s 公司 生產的 P89V51RD2FN 作為微控制器。該單片機具有 64K 并行可編程的非易失性 FLASH 程序存儲器和 1K 的數據存儲 器 , 并 可 實 現 對 器 件 串 行 在 系 統編 程 (I SP 和在應用中編程 (I A P 。在系統編程 (In 2 System Pr ogramm ing, 簡稱 ISP :當 MCU 安裝在用戶 板上時 , 允許

12、用戶下載新的 代 碼 ; 在 應 用 中編 程 (I on 簡稱 I A P :MCU 可以 。 后者允許通 。 芯片內部還有兩個 /計數器 , 可對其進行編程來實現定時、計數、 捕獲、 方波輸出等功能。CAN 控制器選用 Phili p s 公司生產的 SJA1000。它 是一種能用于一般工業環境的獨立 CAN 控制器 , 經 過簡單連接就可以完成報文控制、數據濾波等 CAN 總線的物理層和數據鏈路層的功能 。 其硬件與軟件設 計不僅兼容 PCA82C200的基本 CAN 模式 BasicCAN, 還支持增強 CAN 模式 Peli CAN 。CAN 收發器采用周立功公司生產的 CT M10

13、40T CAN 收發模塊 , 它是 CAN 控制器和物理總線之間的 接口 , 提供向總線的差動發送功能和對 CAN 控制器 的差動接收功能。電機驅動芯片采用 82C54工業級芯片和 S N7407驅動芯片。 通過微控制器對 82C54編程發出控制電機 速度和方向的脈沖信號 , 并通過 S N7407將信號放大 后提供給電機驅動器 。 在控制過程中 , 運動機械本體 通過傳感器向微控制器反映當前運動狀態從而讓微控 制器對其運動狀態做出及時的調整 。3 具有 CAN 通訊功能的電機控制模塊的軟件設計 基于 CAN 總線的運動系統的軟件設計主要包括 上位機與 CAN 的通訊程序和下位機與 CAN 的

14、通訊程 序 , 在這里主要介紹下位機與 CAN 的通訊程序。 帶有 CAN 接口的下位機作為 CAN 總線運動控制 系統的從節點 , 主要完成兩項任務 :一是當上位機請 求數據時 , 將從節點采集的數據和狀態等信息傳送給67 機床與液壓 第 38卷 上位機 ; 二是執行監測反饋信號輸入與控制電機的任務。主程序的軟件流程如圖 3 所示。圖 3 主程序軟件流程主程序調用各子程序分別執行初始化模擬量輸入、數字量輸入、 數據處理、 控制、 模擬量輸出、數 字量輸出操作通信軟件分為部分初始化 、 數據發送數 據接收 , 初始化主要是設置的通信參數 , 幾需要初始 化的控制寄存器有模式寄存器 、 時分寄存

15、器 1接收代 碼寄存器、 屏蔽寄存器 、 總線定時寄存器、 輸出控制 寄存器等。構分為 7個模塊 , , :(1 命令證實通訊系統硬件和通訊子程序正常 ; 通過向指 定位置存取一個固定數 , 然后從指定地址讀取這個 數 , 并加 1上傳到人機界面 , 看結果是否正確來證實 模塊數據存儲硬件和存儲子程序是否正確 ; 通過下發 命令 , 命令指定軸旋轉多少度或者運動多少直線距 離 , 然后量測機械實際運動量 , 檢驗機械單軸運動精 度。(2 參數修改。包括通訊波特率、模塊 I D 指 定、 脈沖當量、 信息存儲位置、 脈沖運轉份數、 焊接 變軌寬度、 焊接變軌長度 、 起始速度、 減速距離等參 數

16、的設置和修改。(3 精度調整。按照脈沖當量 , 計算出運動指 定距離的脈沖數 , 并發出這些脈沖 , 實際測量機械臂 的運動距離 , 來驗證參數設置情況 。(4 自由調整。通過遠控盒發正轉 、反轉、停 止命令來驅動機械臂運動到指定位置 。(5 示教。 通過調整機械臂到指定位置 , 對系 統所計算的理論軌跡進行修正 , 實現系統按照實際軌 跡運行。(6 數據傳輸。上位機按照一定的存儲格式把 上位機所計算的數據下發到下位機 , 下位機按照指定 位置進行存儲 , 并在適當時候 , 進行數據傳輸的正確性驗證 , 如果不正確 , 告訴上位機重新發送 , 直至完 成數據發送任務。(7 自動運行。遠控盒命令

17、系統自動運行 , 系 統按照事先下發的數據表下發脈沖 , 驅動機械運動到 指定位置 , 進而走出指定運動軌跡。 如果需要 , 可以 命令系統加速、 減速 , 各軸增加、 減小運動量。圖 4 軟件功能結構圖4 結束語該運動控制系統模塊從 2005年 10月開始研究 , 2006年 10, 工人操 ; 并快速為其 用于六軸管子相貫線切割機上 , 各項技術參數滿足工 藝要求 , 提高了海洋平臺的建造速度和切割質量。 參考文獻 :【 1】 饒運濤 , 鄒繼軍 , 鄭勇蕓 . 現場總線 CAN 原理與應用技術 M.北京 :北京航空航天大學出版 , 2007. 【 2】 王慧峰 , 何衍慶 . 現場總線控

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