摘要：介紹了CAN總線與伺服電機(jī)的特點(diǎn)，運(yùn)用伺服及其CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了整個(gè)控制系統(tǒng)的各個(gè)部分及其內(nèi)部模塊。從硬件與軟件兩方面將其與一般的CAN總線控制系統(tǒng)相比較，體現(xiàn)出該系統(tǒng)各方面的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。并討論了伺服電機(jī)基于CAN總線的通信控制特性。

0前言

    CAN現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代末由德國(guó)Bosch公司為公共汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信局域網(wǎng)，由于其高性能，高可靠性、實(shí)時(shí)性好以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信，是迄今為止唯一成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，也是公認(rèn)的全球范圍內(nèi)最具前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。由于CAN總線系統(tǒng)的特性,后來(lái)CAN總線廣泛地應(yīng)用于過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)用機(jī)器、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域。1999年，6千萬(wàn)個(gè)CAN總線控制器投入使用，2000年市場(chǎng)銷(xiāo)售超過(guò)一億個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線器件。CAN總線在工控領(lǐng)域興起應(yīng)用熱潮。

    在印刷機(jī)械行業(yè)中，多電機(jī)的同步控制是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。由于印刷產(chǎn)品的特殊工藝要求，尤其是對(duì)于多色印刷，為了保證印刷套印精度（一般≤0.05mm），要求各個(gè)電機(jī)位置轉(zhuǎn)差率很高（一般≤0.02%）。在傳統(tǒng)的印刷機(jī)械中，以往大都采用以機(jī)械長(zhǎng)軸作為動(dòng)力源的同步控制方案，但機(jī)械長(zhǎng)軸同步控制方案易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，各個(gè)機(jī)組互相干擾，而且系統(tǒng)中有許多機(jī)械零件，不方便系統(tǒng)維護(hù)和使用。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不斷應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)機(jī)組式印刷機(jī)械的同步需求，提出了一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的同步控制解決方案，并得以驗(yàn)證。

1CAN總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    CAN是一種串行通信總線，采用CAN2.0A或2.0B通信標(biāo)準(zhǔn)，廣播式通信方式，多主結(jié)構(gòu)，無(wú)損仲裁，有完善的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，自動(dòng)重發(fā)機(jī)制。

    CAN具有技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、成本合理的特點(diǎn)，但CAN協(xié)議本身并不完整。其定義了數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層，為網(wǎng)絡(luò)中的CAN節(jié)點(diǎn)提供了一種廣播式報(bào)文分幀傳輸通道，其流量控制、節(jié)點(diǎn)地址分配、通訊建立等具體內(nèi)容需要使用者自己實(shí)現(xiàn)，因而需要建立應(yīng)用層協(xié)議。當(dāng)前國(guó)外流行的CAN總線分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議主要標(biāo)準(zhǔn)有：CANopen協(xié)議，DeviceNet和SDS。國(guó)內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)有iCAN等，在國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)400萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。按照CAN總線協(xié)議，CAN總線可以是任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的，但一般來(lái)說(shuō)，CAN總線主要采用：總線型、環(huán)型、星型和網(wǎng)狀型4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1基于CAN總線伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1所示，有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)，第一是其控制對(duì)象為伺服運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象，第二是其網(wǎng)絡(luò)化控制器包括CAN總線通信媒介和CAN控制器節(jié)點(diǎn)兩部分。

作為專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)，CAN總線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)使用簡(jiǎn)單方便。

    許多CAN控制器芯片如SJA1000T、Philips82C250等實(shí)現(xiàn)了CAN物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的大部分，在使用時(shí)用戶需要做的只是兩件事：對(duì)CAN控制器進(jìn)行初始化，對(duì)CAN總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)操作。

(2)高效可靠。

    CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度最多為8B，所以傳輸?shù)乃俣瓤欤ㄗ畲笸ㄐ潘俾士蛇_(dá)1Mbps），受干擾的概率低。同時(shí)，CAN總線作為多主節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線仲裁獲得總線控制權(quán)，并擁有完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制，保證了各種干擾環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽俊?/span>

(3)系統(tǒng)可擴(kuò)充性好。

    CAN總線是面向消息的編碼，而不是面向設(shè)備的編碼，故增添或刪減CAN上的節(jié)點(diǎn)非常方便和靈活，易于系統(tǒng)的擴(kuò)充。

2同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    考慮到印刷機(jī)中同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，套印精度高、印刷機(jī)組點(diǎn)多、分散，多操作子站，印刷生產(chǎn)線長(zhǎng)等特點(diǎn)，采用全分散、全數(shù)字、全開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS，總線的選擇選用CAN總線。

    為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)印刷機(jī)組的復(fù)雜同步關(guān)系，將主控制器和各個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器都掛接到CAN總線上，構(gòu)成以印刷機(jī)控制器為核心的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，如圖2所示為同步控制系統(tǒng)圖。

    控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器都配有CAN總線控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250的通訊適配卡，通過(guò)連接在印刷機(jī)控制器上的CAN通訊適配卡，控制器可以方便、快速的與各伺服驅(qū)動(dòng)器通訊，向各個(gè)伺服單元發(fā)送控制指令和位置給定指令，并實(shí)時(shí)獲得各個(gè)伺服電機(jī)的狀態(tài)信息，按照需要實(shí)時(shí)地對(duì)伺服參數(shù)進(jìn)行修改，各個(gè)伺服單元也可以通過(guò)CAN總線及時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器在獲得自己的位置參考指令后，緊密的跟隨位置指令。由于控制器的位置指令直接輸入到各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，因此每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都獲得同步運(yùn)動(dòng)控制指令，不受其他因素影響，即任一伺服單元都不受其他伺服單元的擾動(dòng)影響。在這個(gè)系統(tǒng)中，控制器和各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成CAN控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，可以根據(jù)印刷規(guī)模，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖2同步控制系統(tǒng)圖

3伺服電機(jī)接入CAN網(wǎng)

    伺服電機(jī)的伺服控制器由于提供了專(zhuān)門(mén)的CAN總線接口X4，可以像其他的CAN節(jié)點(diǎn)一樣，用普通雙絞線作為通信介質(zhì)，很方便地連接到基于CAN總線的工業(yè)控制系統(tǒng)上伺服控制器與伺服電機(jī)之間采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器建立反饋，形成高精度的伺服控制系統(tǒng)，伺服電機(jī)實(shí)時(shí)地將其運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行信息上傳給伺服控制器。作為CAN總線上的節(jié)點(diǎn)，伺服控制器不僅可以與上位主機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)的各種操作、控制和參數(shù)設(shè)定命令；同時(shí)伺服控制器之間亦可以進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換，相互間建立一定的協(xié)調(diào)或控制關(guān)系。

    上位主機(jī)通過(guò)接插支持CAN的通訊適配卡獲得對(duì)CAN總線的支持，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視管理。由于CAN總線在工業(yè)控制上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，很多公司都推出了支持CAN總線的接口適配卡，如研華的PCL-841通信卡、北京華控的HK-CAN20通信卡、北京三興達(dá)公司的智能CAN-PC總線適配卡PCCAN等等，用戶可以通過(guò)這些接口適配卡，來(lái)運(yùn)行復(fù)雜的通信任務(wù)，進(jìn)行各CAN節(jié)點(diǎn)與上位主機(jī)之間的數(shù)字通信和協(xié)調(diào)管理。

4伺服電機(jī)選擇

    以卷筒紙印刷機(jī)為例，其負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，其中柔印機(jī)組為0.13kg·m2，膠印機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，為0.33kg·m2。

    由于系統(tǒng)定位精度要求≤0.03mm，考慮到負(fù)載的大慣量性，把控制周期定為2ms，要求位置環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差為±1個(gè)脈沖。根據(jù)定位精度和穩(wěn)態(tài)誤差，可以折算出編碼器線數(shù)為17000線，可是考慮到在實(shí)際印刷過(guò)程中，要不斷調(diào)整不同機(jī)組的位置，如果編碼器分辨率選17000線，在調(diào)整印輥時(shí)，由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，將會(huì)產(chǎn)生很大的角加速度，進(jìn)而產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩。例如對(duì)于膠印機(jī)組，調(diào)整角加速度超過(guò)700rad/s2，調(diào)整轉(zhuǎn)矩超過(guò)200N·m，一般的電機(jī)無(wú)法滿足要求。

    綜合考慮，選擇編碼器分辨率為40000線，這樣在調(diào)整過(guò)程中，減小了電機(jī)的調(diào)整加速度，進(jìn)而減小了調(diào)整轉(zhuǎn)矩。例如在負(fù)載慣量最大的膠印機(jī)組中，調(diào)整角加速度為78.6rad/s2，調(diào)整轉(zhuǎn)矩為26N·m，凱奇電氣公司的90M系列伺服電機(jī)完全可以滿足要求。

5CAN總線的數(shù)據(jù)同步機(jī)制

    為了實(shí)現(xiàn)基于CAN總線的應(yīng)用，伺服控制器提供了專(zhuān)門(mén)的CAN總線功能模塊組CAN-IN與CAN-OUT，作為過(guò)程數(shù)據(jù)通道，進(jìn)行過(guò)程數(shù)據(jù)的傳輸。其中，功能塊CAN-IN1與CAN-OUT1只用于伺服控制器與上位主機(jī)之間進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)傳輸。輸入功能塊CAN-IN1用于接收上位主機(jī)的數(shù)據(jù)信息，CAN-IN1有8B的數(shù)據(jù)空間可供用戶使用配置，可以向其他內(nèi)部功能模塊提供二進(jìn)制信號(hào)、16位的模擬信號(hào)、16位的速度信號(hào)以及32位的相位信號(hào)等多種控制信號(hào)。上位主機(jī)通過(guò)向根據(jù)實(shí)際應(yīng)用配置的CAN-IN1模塊發(fā)送命令信息，能實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的速度給定、電機(jī)快停、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換、電機(jī)正常模式轉(zhuǎn)速與恒定低速的切換、電機(jī)使能、電機(jī)禁止等各種功能。同樣，CAN-OUT1功能模塊亦有8B的數(shù)據(jù)空間可供用戶使用，可以通過(guò)配置向上位主機(jī)實(shí)時(shí)地提供電機(jī)的各種狀態(tài)信息、電機(jī)的實(shí)際速度、電機(jī)的實(shí)際相位等信息。

（1）硬件時(shí)鐘同步。硬件時(shí)鐘同步是指利用一定的硬件設(shè)施（如GPS接收機(jī)、UTC接收機(jī)、專(zhuān)用的時(shí)鐘信號(hào)線路等）進(jìn)行的局部時(shí)鐘之間的同步，操作對(duì)象是計(jì)算機(jī)的硬件時(shí)鐘。硬件同步可以獲得很高的同步精度（通常為10-9秒至10-6秒）。

（2）同步報(bào)文授時(shí)同步。在每個(gè)通訊周期開(kāi)始，主站以廣播形式發(fā)送一次同步報(bào)文。例如在SERCOS協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸層中，每個(gè)SERCOS的通訊周期開(kāi)始都以主戰(zhàn)發(fā)送的同步報(bào)文MST為標(biāo)志。MST的數(shù)據(jù)域非常短，只占1個(gè)字節(jié)。MST報(bào)文的同步精度很高，如果用光纜做傳輸介質(zhì)，同步精度可在4微妙之內(nèi)。

（3）協(xié)議授時(shí)同步。協(xié)議授時(shí)也叫軟件授時(shí)，指利用網(wǎng)絡(luò)將主時(shí)鐘源，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)給其他的子系統(tǒng)，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步性。通過(guò)計(jì)算從發(fā)出主時(shí)鐘信息到發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接受該信息并產(chǎn)生中斷之間的時(shí)間差，可以得出延遲時(shí)間。然后通過(guò)延時(shí)補(bǔ)償來(lái)達(dá)到時(shí)間同步。軟件授時(shí)成本低，可由于同步信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)难舆t大且有很大的不確定性，所以授時(shí)精度低（通常為10-6秒到10-3秒）。

6上位主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

    通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信與控制的伺服電機(jī)，在針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用要求配置好伺服控制器的內(nèi)部控制信號(hào)流，以及基于CAN的接口功能模塊和數(shù)據(jù)通道后，剩下需要解決的是上位主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題。

    由于上位主機(jī)所接插的CAN通訊適配卡一般都提供CAN的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，所以在上位機(jī)軟件的編制過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)與CAN總線的通信部分可以直接調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，如上位主機(jī)與CAN通信的主要任務(wù)：對(duì)CAN適配卡的初始化、CAN信息包的發(fā)送、CAN信息包的接收等，都有現(xiàn)成的函數(shù)可以使用，為用戶使用CAN進(jìn)行通信提供了方便。對(duì)CAN通訊適配卡的初始化主要是初始化適配卡的各個(gè)寄存器，設(shè)置中斷向量、通信卡的波特率以及中斷屏蔽字等必要的參數(shù)，為正常通信作準(zhǔn)備。實(shí)現(xiàn)CAN信息包的發(fā)送，首先要確定信息包的11位信息標(biāo)識(shí)符，填入幀頭，并在數(shù)據(jù)域中填入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)發(fā)送函數(shù)發(fā)送給所有CAN節(jié)點(diǎn)或特定的CAN節(jié)點(diǎn)上。而對(duì)于使用接收函數(shù)所接收的CAN信息包，亦通過(guò)其11位信息標(biāo)識(shí)符，判斷其來(lái)源，對(duì)數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取得有效的信息，進(jìn)行顯示或存儲(chǔ)，并按照控制需要發(fā)送控制指令。

7結(jié)論

    以CAN現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)在控制器和伺服之間的通信。不僅克服了傳統(tǒng)機(jī)械長(zhǎng)軸控制方案的各種機(jī)械元件帶來(lái)的缺點(diǎn)，而且還具有同步性能好、各伺服單元不互相干擾、控制精度高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。伺服電機(jī)CAN接口的引入，提高了伺服電機(jī)的自動(dòng)化水平，使伺服電機(jī)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的通信與控制更為方便、靈活和可靠。CAN總線在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，為帶CAN接口的伺服電機(jī)提供了廣闊的應(yīng)用前景。