李 芃

（四川大學(xué)錦城學(xué)院，四川 成都 610000）

0 引言

電機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，如配料、工業(yè)切割、機(jī)械手臂、傳動(dòng)等生產(chǎn)過程必須多臺電機(jī)協(xié)同控制。尤其是在大工件切割加工過程中，由于電機(jī)比較多、分布比較廣，采用傳統(tǒng)的控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一對一的脈沖控制模式，不僅控制線路復(fù)雜，抗干擾能力差，且在控制過程中脈沖容易丟失或引進(jìn)干擾脈沖、可靠性低。

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，把傳統(tǒng)的脈沖傳送改為智能型總線數(shù)據(jù)傳送并具有數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)和重發(fā)機(jī)制等糾錯(cuò)功能。近年來利用現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)電機(jī)群控制有了較多的研究，本設(shè)計(jì)利用CAN 總線通信方式靈活，通信速率高，可靠性、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)[1]，且低成本的優(yōu)點(diǎn)，探索基于CAN 總線的電機(jī)群控制系統(tǒng)，通過編制控制協(xié)議改善電機(jī)群的協(xié)同控制性能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)、CAN 通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)三個(gè)部分。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

基于CAN 總線的電機(jī)群控制系統(tǒng)的由運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)(4 臺)及相應(yīng)帶CAN 總線的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。通過CAN 總線連接成一個(gè)完整的通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)傳輸各運(yùn)行參數(shù)、控制命令。系統(tǒng)的控制對象主要是4 臺電機(jī)，即M1：X 軸向運(yùn)動(dòng)電機(jī)、M2：Y 軸方向運(yùn)行電機(jī)、M3：刀頭上下移動(dòng)電機(jī)（Z 軸電機(jī)），M4：刀頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)(U 軸)。電機(jī)群控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示：

圖1 基于CANopen 協(xié)議的電機(jī)群控制系統(tǒng)框圖

1.1.1 運(yùn)動(dòng)控制模塊

本系統(tǒng)的主控制CPU 及各個(gè)?？炜刂艭PU 均選用的基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103RBT6 嵌入式處理器。該處理器帶有64KB 的Flash 和20KB 的SRAM 資源，主頻為72MHz，信號處理最高可達(dá)1.25DMips/MHz，運(yùn)算速度快，非常符合電機(jī)群控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算量大的需求。因該芯片內(nèi)部帶有2 .0A 和2 .0B 的CAN 控制器，不再需要另加CAN 控制器，給CAN 通訊外圍電路設(shè)計(jì)帶來了便捷。主控制器負(fù)責(zé)位置、速度數(shù)據(jù)的運(yùn)算，將數(shù)據(jù)指令通過CAN 總線發(fā)送各分布式控制模塊。各節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制模塊接到命令后，進(jìn)行相應(yīng)的操作，驅(qū)動(dòng)各自所帶電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

1.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

下位節(jié)點(diǎn)接收主控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將其轉(zhuǎn)成脈沖信號送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。由于數(shù)據(jù)計(jì)算量大，且要求運(yùn)算速度快，故下位機(jī)同樣采用STM32 芯片作為CPU。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)選用LV8731V 芯片。LV8731V 是2ch H 橋驅(qū)動(dòng)，內(nèi)置1ch PWM 電流控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能設(shè)定2 相/1-2 相/W1-2 相/4W1-2 相勵(lì)磁模式，只要輸入STEP 信號、勵(lì)磁STEP 就可以進(jìn)行，非常適合帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，并且內(nèi)置輸出短路保護(hù)電路，無需控制電源。切割機(jī)電機(jī)系統(tǒng)采用激光切割，只需要一般的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)激光探頭即可。所以這樣的組合不需要額外的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比高，非常適合切割機(jī)電機(jī)系統(tǒng)。

LV8731V 的OUTA1，OUTA2，OUTB1，OUTB2 管腳，直接連接步進(jìn)電機(jī)。LV8731V 的DC12 管腳與stm32 PA7 管腳（TIM1）相連，通過設(shè)置TIM1 來調(diào)節(jié)輸出的PWM 波控制速度。勵(lì)磁模式設(shè)定為8 細(xì)分4W1-2 相勵(lì)磁模式，通過stm32 PA6，PA7 管腳來控制。設(shè)定DM 接地，使端子為STM 模式，能控制CLK—IN 輸入的1ch 步進(jìn)電機(jī)。

1.2 CAN 通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN 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)絡(luò)[2]。從OSI 網(wǎng)絡(luò)模型的角度來看[1]，CAN 現(xiàn)場總線僅僅定義了第1 層即物理層、第2 層即數(shù)據(jù)鏈路層（見ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)）；沒有規(guī)定應(yīng)用層，需要一個(gè)高層協(xié)議來定義CAN 報(bào)文中的11/29 位標(biāo)識符、8 字節(jié)數(shù)據(jù)的使用。目前占領(lǐng)市場主流的應(yīng)用層協(xié)議是：DeviceNet 協(xié)議和CANopen 協(xié)議[5]。但是DeviceNet 和CANopen 協(xié)議難度大、規(guī)范復(fù)雜，開發(fā)周期長、成本高。針對本控制系統(tǒng)的控制對象為4 臺電機(jī)的情況，根據(jù)CAN 總線的要求，必須研究一套簡單而有效的高層通信協(xié)議。

1.2.1 CAN 報(bào)文的分配

CAN 一個(gè)數(shù)據(jù)幀[3]包括了幀起始、仲裁場（標(biāo)識符+RTR）、控制場、數(shù)據(jù)場（0-8bytes）、CRC、應(yīng)答場、幀結(jié)束。用戶協(xié)議需要自行設(shè)計(jì)的為仲裁場、控制場和數(shù)據(jù)場。在本電機(jī)群控制系統(tǒng)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)其專屬的地址，地址碼和系統(tǒng)中各電機(jī)模塊對應(yīng)，總線上按照地址來傳送數(shù)據(jù)。電機(jī)控制系統(tǒng)中主控節(jié)點(diǎn)為1，X 軸、Y 軸、Z 軸、U軸電機(jī)節(jié)點(diǎn)依次為2、3、4、5。由于系統(tǒng)規(guī)模比較小，節(jié)點(diǎn)數(shù)少于16個(gè)，地址碼設(shè)定為4 位，同一系統(tǒng)中地址碼不能重復(fù)。目的地址的標(biāo)識符定為ID3-ID0，源地址標(biāo)識符定ID7-ID4[5]。ID9-ID8 定義為功能碼，用于表示報(bào)文所要實(shí)現(xiàn)的功能。兩位標(biāo)識符定義了4 個(gè)功能碼，分別是：0X00 表示對單個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)寫入數(shù)據(jù)；0X01 表示斷開與電機(jī)控制系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)的通訊連接；0X10 表示和電機(jī)控制系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)建立通訊連接；0X11 表示檢測網(wǎng)絡(luò)上的ID 從節(jié)點(diǎn)是否存在[2]。ID10 位定義為ACK 響應(yīng)位[4]，該位用來區(qū)分幀的類型。當(dāng)響應(yīng)標(biāo)志位為0 時(shí)，表示發(fā)送的是命令幀，節(jié)點(diǎn)需要應(yīng)答?？刂茍鲇? 個(gè)位組成，標(biāo)準(zhǔn)格式里的幀包括數(shù)據(jù)長度代碼、IDE 位、保留位r0[5]。數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀里的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0～8 個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)包含了8 位。第一個(gè)字節(jié)為命令，接下來字節(jié)都為具體要發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送的優(yōu)先級由節(jié)點(diǎn)的ID 決定，ID 越小[4]，優(yōu)先級越高。

1.2.2 數(shù)據(jù)通訊的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)通訊定義了網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容和傳輸?shù)姆绞?。電機(jī)群控制系統(tǒng)的CAN 用戶層協(xié)議通訊模式由主從方式和事件觸發(fā)方式構(gòu)成。兩種模式搭配使用，增強(qiáng)了通訊協(xié)議的靈活性。主從通訊模式用于CAN 網(wǎng)絡(luò)中的主站對于從站的訪問。事件觸發(fā)通訊模式用于從站主動(dòng)向主站傳送數(shù)據(jù)報(bào)文。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)管理的對象是于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)和報(bào)文發(fā)送狀態(tài)。對于CAN 網(wǎng)絡(luò)管理，其主要任務(wù)是處理網(wǎng)絡(luò)中的錯(cuò)誤，協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，監(jiān)控報(bào)文的發(fā)送情況?？梢苑譃楣?jié)點(diǎn)控制和通訊控制兩部分。節(jié)點(diǎn)管理[5]是指對總線上所有應(yīng)用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)在通訊前處于準(zhǔn)備狀態(tài)并排除總線上是否存在相同的節(jié)點(diǎn)。通訊管理是管理網(wǎng)絡(luò)中通訊的報(bào)文，保證報(bào)文能夠正常地接受發(fā)送。

1.2.4 電機(jī)設(shè)備協(xié)議的原則

電機(jī)設(shè)備協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中電機(jī)設(shè)備的描述規(guī)則，在本系統(tǒng)中對CAN 應(yīng)用層協(xié)議的電機(jī)描述設(shè)備以及要執(zhí)行的命令參數(shù)定義見表1。

表1 命令類型表

部分主要代碼如下：

void CAN1_Init(void)，在此函數(shù)中設(shè)置過濾器，波特率以及管腳配置、中斷配置；

void Init_RxMes(CanRxMsg *RxMessage)，初始化接收幀；

void CAN_SendInit (u8 addr)，初始化節(jié)點(diǎn)，addr 為目標(biāo)地址，當(dāng)addr 值取0X00 時(shí)，表示廣播，各節(jié)點(diǎn)都收到信息；

void CANSetCo(u8 addr，s32 co)，設(shè)置坐標(biāo)，addr 為目標(biāo)地址，co 為設(shè)置的坐標(biāo)；

void CANSetSpeed(u8 addr，s32 speed)，設(shè)置速度，addr為目標(biāo)地址，speed 為設(shè)置的速度；

void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler(void)，下 位 機(jī)CAN1 接 收中斷處理函數(shù)，更新線圈和寄存器。通過swtich 語句來實(shí)現(xiàn)不同信息的處理。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)

在電機(jī)群控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟包括主控制器發(fā)送接收模塊、運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送接收模塊、CAN 通訊模塊。主控制器發(fā)送接收模塊向各個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)信息(設(shè)定位置、速度等)，等待來自各運(yùn)動(dòng)控制器的反饋信息；運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送接收模塊接收到來自主控制器的命令后，對命令進(jìn)行解析，執(zhí)行相應(yīng)的操作控制電機(jī)，并將電機(jī)的狀態(tài)信息反饋給主控制器。CAN 通訊模塊負(fù)責(zé)主控制器與各運(yùn)動(dòng)控制器之間數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2 所示。本設(shè)計(jì)采用美國Keil Software 公司出品的Keil uVision4 軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用C 語言來開發(fā)。

2 測試結(jié)果

在試驗(yàn)中，用2 個(gè)電機(jī)進(jìn)行模擬測試，主控制器（節(jié)點(diǎn)1）向X 軸（節(jié)點(diǎn)2）和Y 軸（節(jié)點(diǎn)3）兩個(gè)電機(jī)的控制器發(fā)送指令，將LA1032 邏輯分析儀直接接入節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 的控制芯片的TIM1 上，同時(shí)測量節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 的脈沖波形，通過對比分析兩電機(jī)的協(xié)同工作情況及CAN 通訊協(xié)議的通信效果。

按編制的CAN 通訊協(xié)議，節(jié)點(diǎn)1 先發(fā)送一個(gè)廣播幀對各站點(diǎn)進(jìn)行初始化，再向節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3 同時(shí)發(fā)送周期為140us，占空比為50%的脈沖；1ms 以后，向節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3 發(fā)送周期為14us，占空比為50%的脈沖，兩種頻率不同的脈沖交替發(fā)送，相隔時(shí)間為1ms。邏輯分析儀觀察到節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 的波形圖如圖3。從圖3 可以看出，兩節(jié)點(diǎn)電機(jī)的執(zhí)行命令的時(shí)間差在20us 左右。表明通信協(xié)議是可行的，兩電機(jī)的同步控制誤差比較小。

圖3 邏輯分析儀顯示的節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 的波形圖

3 結(jié)束語

以STM32RBT6 ARM 芯片為主、從控制器，通過CAN 總線利用總線廣播模式實(shí)現(xiàn)電機(jī)群協(xié)同控制，其CAN 總線通信協(xié)議比較簡單，電機(jī)群的協(xié)同控制效果好，且成本低，可靠性高，響應(yīng)速度快，該系統(tǒng)可實(shí)際應(yīng)用于工件切割、數(shù)控鉆孔。

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