1、2010年 2月 第 38卷 第 3期機(jī)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(yè)機(jī)器人控制方面的研究 。 E -mail:hrbeu411jys1631com 。基于 C AN 總線的多電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究劉濤 , 王宗義 , 孔慶磊 , 武光田(哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院 , 黑龍江哈爾濱 150001摘要 :多電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛 , 深入研究多電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)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(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) , 設(shè)計(jì)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(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明該運(yùn)動控制系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均滿足工藝要求 。關(guān)鍵詞 :多電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動 ; C AN 總線 ; SJA1000中圖分類號 :TP273 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)動控制在工業(yè)生產(chǎn)中的作用舉足輕重 , 多電機(jī) 21世紀(jì)以來 , 應(yīng)用越來越廣泛 , 。 諸如印刷設(shè)備、 印染設(shè)備和 軋鋼等有著多個(gè)分散工作機(jī)構(gòu)的大型設(shè)備 , 只有保證 多個(gè)電機(jī)之間按某種比例關(guān)系同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn) , 才能確 保生產(chǎn)的正常運(yùn)行 ; 系統(tǒng)同步性能的好壞 , 直接影響 到產(chǎn)品的品質(zhì)和性能 。 因此 , 深入研究多電機(jī)的協(xié)調(diào) 運(yùn)動控制 , 提高其同步精度具有重要的意義 。長期以來多電機(jī)傳動協(xié)調(diào)控制一直采用集散控 制 ,

6、集散控制系統(tǒng) (DCS 是一種專用的封閉的系 統(tǒng) , 有著自身難以克服的缺點(diǎn) 。 CAN 總線是現(xiàn)場總 線的一種 , 是支持分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信局 域網(wǎng) , 具有高性能、高可靠性、 實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。 基于 現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng) (FCS 適應(yīng)了工業(yè)控制 系統(tǒng)向分散化、 網(wǎng)絡(luò)化 、 智能化的發(fā)展方向 , 是一種 開放性好、低成本 、高可靠性控制系統(tǒng)。繼 DCS 后 的 FCS 運(yùn)用于多電機(jī)傳動協(xié)調(diào)控制得到了越來越多 的關(guān)注。 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)111 傳統(tǒng)的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制 DCS 系統(tǒng)多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中 , 第一臺電機(jī)為主令電 機(jī) , 決定了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)速 , 其他電機(jī)稱為從動電機(jī) ,

7、 DCS 系統(tǒng) , , 控制系統(tǒng)要解決的問題是根據(jù)生產(chǎn) 工藝的要求決定多電機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)速 , 構(gòu)成獨(dú)立的轉(zhuǎn)速 定值閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 各電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小、 負(fù)荷相互獨(dú) 立 , 各個(gè)閉環(huán)回路中控制器的控制規(guī)律和控制參數(shù)也 按常規(guī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮 。112 基于 CAN 總線的多電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)一對一的結(jié)構(gòu)形 式 , 采用智能現(xiàn)場設(shè)備 , 把原先 DCS 系統(tǒng)中處于控 制室的控制模塊、 各輸入輸出模塊置于現(xiàn)場設(shè)備中 , 加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力 , 現(xiàn)場的測量變送儀表可 以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號 , 因而控制系統(tǒng)功 能的實(shí)現(xiàn)能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表 ,

8、 直 接在現(xiàn)場完成 , 實(shí)現(xiàn)分散控制。CAN 協(xié)議分為不同層次 :目標(biāo)層、傳輸層、物 理層。 目標(biāo)層和物理層完成 IS O /OSI模塊定義的數(shù)據(jù) 鏈路層功能。 它可以非常有效地構(gòu)成分布式實(shí)時(shí)過程 監(jiān)測和控制系統(tǒng) , 并且具有非常高的可靠性。 CAN 總線規(guī)范了任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的兼容性 , 包括電氣特 性及數(shù)據(jù)解釋協(xié)議 , 保證設(shè)計(jì)的透明性及執(zhí)行的靈活 性。基于 CAN 總線的多電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)采用 分布式控制結(jié)構(gòu) , 整個(gè)控制系統(tǒng)分上位機(jī)和下位機(jī)兩 大部分 , 下位機(jī)的每個(gè)控制模塊都有 CAN 通訊功能 。 在底層控制各個(gè)電機(jī)的運(yùn)動控制模塊和完成遠(yuǎn)控盒按 鍵識別的控制模塊組成下位機(jī)部分

9、, 每個(gè)電機(jī)運(yùn)動控 制模塊控制一個(gè)電機(jī)的運(yùn)動 , 相互之間通過 CAN 總 線協(xié)議傳遞協(xié)調(diào)信息 , 來達(dá)到協(xié)調(diào)運(yùn)動的目的。上位 機(jī)的硬件主要包括兩個(gè)部分 , 工業(yè)級 PC104和 CAN 卡。 PC 機(jī)選用盛博科技的 PC104計(jì)算機(jī) , CAN 卡選 用周立功公司的 PC104CAN2I 。控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 如圖 1所示。圖 1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖為了完成上述設(shè)計(jì)目標(biāo) , 模塊間 、 模塊與上位機(jī) 之間通訊系統(tǒng)要求接口簡單、可靠性高 、應(yīng)用靈活 、 實(shí)時(shí)性高、 性價(jià)比高并且支持多主通訊 、 遠(yuǎn)距離通訊 等 , CAN 總線通訊以其自身的優(yōu)點(diǎn)被該系統(tǒng)選作通 訊系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。2 具有 CAN

10、 通訊功能的電機(jī)控制模塊的硬件設(shè)計(jì) 運(yùn)動控制模塊節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。圖 2 運(yùn)動控制模塊節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖運(yùn)動控制模塊各功能塊實(shí)現(xiàn)的功能如下 :(1 微控制器負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的運(yùn)行管理 、 數(shù)據(jù)存儲、 任務(wù)調(diào)度 、 狀態(tài)反饋、 在線燒寫等 。 (2 通信模塊負(fù)責(zé)上下位機(jī)信息通信 , 節(jié)點(diǎn)間 命令傳送、 數(shù)據(jù)傳送等。 存儲模塊負(fù)責(zé)記錄主機(jī)下發(fā) 給各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)表 , 并在自動運(yùn)行時(shí) , 按照一定格 式讀出數(shù)據(jù)表 , 根據(jù)命令進(jìn)行執(zhí)行。(3 在線燒寫模塊負(fù)責(zé)更新單片機(jī)程序。(4 電機(jī)信號處理模塊負(fù)責(zé)對單片機(jī)輸出的脈 沖信號進(jìn)行處理 , 經(jīng)放大、 驅(qū)動處理 , 供控制電機(jī)使 用。(5 檢測信號處理模

11、塊負(fù)責(zé)檢測各軸運(yùn)動的極 限位置 , 并進(jìn)行報(bào)警 , 或者檢測各軸運(yùn)動特定位置信 息 , 進(jìn)行處理。(6 按鍵處理模塊負(fù)責(zé)對遠(yuǎn)處遠(yuǎn)控盒的信息進(jìn) 行辨別 , 并啟動響應(yīng)處理程序。從成本和難易程度考慮 , 系統(tǒng)采用 Phili p s 公司 生產(chǎn)的 P89V51RD2FN 作為微控制器。該單片機(jī)具有 64K 并行可編程的非易失性 FLASH 程序存儲器和 1K 的數(shù)據(jù)存儲 器 , 并 可 實(shí) 現(xiàn) 對 器 件 串 行 在 系 統(tǒng)編 程 (I SP 和在應(yīng)用中編程 (I A P 。在系統(tǒng)編程 (In 2 System Pr ogramm ing, 簡稱 ISP :當(dāng) MCU 安裝在用戶 板上時(shí) , 允許

12、用戶下載新的 代 碼 ; 在 應(yīng) 用 中編 程 (I on 簡稱 I A P :MCU 可以 。 后者允許通 。 芯片內(nèi)部還有兩個(gè) /計(jì)數(shù)器 , 可對其進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)、 捕獲、 方波輸出等功能。CAN 控制器選用 Phili p s 公司生產(chǎn)的 SJA1000。它 是一種能用于一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)立 CAN 控制器 , 經(jīng) 過簡單連接就可以完成報(bào)文控制、數(shù)據(jù)濾波等 CAN 總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能 。 其硬件與軟件設(shè) 計(jì)不僅兼容 PCA82C200的基本 CAN 模式 BasicCAN, 還支持增強(qiáng) CAN 模式 Peli CAN 。CAN 收發(fā)器采用周立功公司生產(chǎn)的 CT M10

13、40T CAN 收發(fā)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(fā)送功能和對 CAN 控制器 的差動接收功能。電機(jī)驅(qū)動芯片采用 82C54工業(yè)級芯片和 S N7407驅(qū)動芯片。 通過微控制器對 82C54編程發(fā)出控制電機(jī) 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(jī)驅(qū)動器 。 在控制過程中 , 運(yùn)動機(jī)械本體 通過傳感器向微控制器反映當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)從而讓微控 制器對其運(yùn)動狀態(tài)做出及時(shí)的調(diào)整 。3 具有 CAN 通訊功能的電機(jī)控制模塊的軟件設(shè)計(jì) 基于 CAN 總線的運(yùn)動系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括 上位機(jī)與 CAN 的通訊程序和下位機(jī)與 CAN 的

14、通訊程 序 , 在這里主要介紹下位機(jī)與 CAN 的通訊程序。 帶有 CAN 接口的下位機(jī)作為 CAN 總線運(yùn)動控制 系統(tǒng)的從節(jié)點(diǎn) , 主要完成兩項(xiàng)任務(wù) :一是當(dāng)上位機(jī)請 求數(shù)據(jù)時(shí) , 將從節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)和狀態(tài)等信息傳送給67 機(jī)床與液壓 第 38卷 上位機(jī) ; 二是執(zhí)行監(jiān)測反饋信號輸入與控制電機(jī)的任務(wù)。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(diào)用各子程序分別執(zhí)行初始化模擬量輸入、數(shù)字量輸入、 數(shù)據(jù)處理、 控制、 模擬量輸出、數(shù) 字量輸出操作通信軟件分為部分初始化 、 數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù) 據(jù)接收 , 初始化主要是設(shè)置的通信參數(shù) , 幾需要初始 化的控制寄存器有模式寄存器 、 時(shí)分寄存

15、器 1接收代 碼寄存器、 屏蔽寄存器 、 總線定時(shí)寄存器、 輸出控制 寄存器等。構(gòu)分為 7個(gè)模塊 , , :(1 命令證實(shí)通訊系統(tǒng)硬件和通訊子程序正常 ; 通過向指 定位置存取一個(gè)固定數(shù) , 然后從指定地址讀取這個(gè) 數(shù) , 并加 1上傳到人機(jī)界面 , 看結(jié)果是否正確來證實(shí) 模塊數(shù)據(jù)存儲硬件和存儲子程序是否正確 ; 通過下發(fā) 命令 , 命令指定軸旋轉(zhuǎn)多少度或者運(yùn)動多少直線距 離 , 然后量測機(jī)械實(shí)際運(yùn)動量 , 檢驗(yàn)機(jī)械單軸運(yùn)動精 度。(2 參數(shù)修改。包括通訊波特率、模塊 I D 指 定、 脈沖當(dāng)量、 信息存儲位置、 脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)份數(shù)、 焊接 變軌寬度、 焊接變軌長度 、 起始速度、 減速距離等參 數(shù)

16、的設(shè)置和修改。(3 精度調(diào)整。按照脈沖當(dāng)量 , 計(jì)算出運(yùn)動指 定距離的脈沖數(shù) , 并發(fā)出這些脈沖 , 實(shí)際測量機(jī)械臂 的運(yùn)動距離 , 來驗(yàn)證參數(shù)設(shè)置情況 。(4 自由調(diào)整。通過遠(yuǎn)控盒發(fā)正轉(zhuǎn) 、反轉(zhuǎn)、停 止命令來驅(qū)動機(jī)械臂運(yùn)動到指定位置 。(5 示教。 通過調(diào)整機(jī)械臂到指定位置 , 對系 統(tǒng)所計(jì)算的理論軌跡進(jìn)行修正 , 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按照實(shí)際軌 跡運(yùn)行。(6 數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)按照一定的存儲格式把 上位機(jī)所計(jì)算的數(shù)據(jù)下發(fā)到下位機(jī) , 下位機(jī)按照指定 位置進(jìn)行存儲 , 并在適當(dāng)時(shí)候 , 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性驗(yàn)證 , 如果不正確 , 告訴上位機(jī)重新發(fā)送 , 直至完 成數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。(7 自動運(yùn)行。遠(yuǎn)控盒命令

17、系統(tǒng)自動運(yùn)行 , 系 統(tǒng)按照事先下發(fā)的數(shù)據(jù)表下發(fā)脈沖 , 驅(qū)動機(jī)械運(yùn)動到 指定位置 , 進(jìn)而走出指定運(yùn)動軌跡。 如果需要 , 可以 命令系統(tǒng)加速、 減速 , 各軸增加、 減小運(yùn)動量。圖 4 軟件功能結(jié)構(gòu)圖4 結(jié)束語該運(yùn)動控制系統(tǒng)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(jī)上 , 各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)滿足工 藝要求 , 提高了海洋平臺的建造速度和切割質(zhì)量。 參考文獻(xiàn) :【 1】 饒運(yùn)濤 , 鄒繼軍 , 鄭勇蕓 . 現(xiàn)場總線 CAN 原理與應(yīng)用技術(shù) M.北京 :北京航空航天大學(xué)出版 , 2007. 【 2】 王慧峰 , 何衍慶 . 現(xiàn)場總線控

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