基于CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

1引言

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備―電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象,以控制器為核心,以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu),在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。在電氣時(shí)代,電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。在近年來,由于半導(dǎo)體制造設(shè)備等相關(guān)的電子制造設(shè)備市場大幅成長,而使得機(jī)器設(shè)備上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)了以下幾點(diǎn)技術(shù)需求:
（1）多軸運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器設(shè)備因自動(dòng)化程度提高而使得單一機(jī)器上所需要的軸數(shù)增多,一臺(tái)設(shè)備上十幾軸是常見的事情。在軸數(shù)變多后,如何協(xié)調(diào)各軸動(dòng)作就是一個(gè)重要的課題。
（2）體積要小。由于廠房空間的限制,機(jī)器的體積要求越小越好,機(jī)器內(nèi)控制器的體積也就被要求愈來愈小,相對(duì)的走線空間也愈來愈小。
（3）要更精確。隨著半導(dǎo)體制程已經(jīng)精密到100nm一下,在制程及檢測相關(guān)設(shè)備所要求的運(yùn)動(dòng)精度也要更精確,其它如LCD設(shè)備,SMD制程設(shè)備也有相同要求。
（4）要更穩(wěn)定。因?yàn)樗性O(shè)備的投資經(jīng)費(fèi)龐大,系統(tǒng)停機(jī)的成本就更顯的突出,因此所有機(jī)器設(shè)備制造商都必須追求系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)也必須考慮在組件損壞要維修時(shí),必須能快速替換且不出差錯(cuò)。
綜合以上幾點(diǎn)的需求分析可以看到,既要在一個(gè)控制器內(nèi)進(jìn)行多軸運(yùn)動(dòng)控制,又要控制器的體積更小,配線和維修要更容易,這些條件看來是相沖突的?？梢赃@樣說,現(xiàn)場總線技術(shù)便是應(yīng)這些新機(jī)器設(shè)備的需求而產(chǎn)生的。

2現(xiàn)場總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信特性

用于運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)場總線有兩種通信控制策略:事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)。事件觸發(fā)中,控制單元檢測到事件發(fā)生后,根據(jù)預(yù)定的算法計(jì)算出正確的應(yīng)答,然后將應(yīng)答信息發(fā)送給數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器。從事件發(fā)生到應(yīng)答信息的接收之間的延時(shí)必須是有限的,也就是最大值必須是可知的,它的值就是通信協(xié)議的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。但是,事件觸發(fā)中的事件是隨機(jī)的、不可預(yù)知的,所以導(dǎo)致現(xiàn)場總線通信的不確定性,系統(tǒng)中的各個(gè)站點(diǎn)會(huì)爭用傳輸介質(zhì),導(dǎo)致通信的沖突和不可靠,很難保證高的實(shí)時(shí)性。事件觸發(fā)通常是非周期性的,使用非周期性數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)最為簡單,但是也可以用周期性數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn),此時(shí),就必須標(biāo)識(shí)哪個(gè)周期的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。
時(shí)間觸發(fā)通常是周期性地進(jìn)行的,控制單元周期性地計(jì)算出控制數(shù)據(jù),然后及時(shí)發(fā)送控制數(shù)據(jù)給伺服驅(qū)動(dòng)器?？刂坪屯ㄐ攀峭ㄟ^一個(gè)全局時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的,系統(tǒng)的行為不僅在功能上得到確定,而且在時(shí)間上也是確定的,各站點(diǎn)不會(huì)爭用傳輸媒介,整個(gè)系統(tǒng)是可靠的。時(shí)間觸發(fā)控制中的通信周期時(shí)間應(yīng)該等于控制周期時(shí)間,或者通信周期時(shí)間能夠被控制周期時(shí)間整除。周期性的時(shí)間觸發(fā)中,通信周期時(shí)間必須固定,不能有明顯的波動(dòng),即數(shù)據(jù)傳輸必須有確定性,也稱為實(shí)時(shí)性。
總體而言,用于運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)場總線通信協(xié)議的性能要求有三點(diǎn):
（1）可靠的通信,以適合工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境;
（2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。周期性數(shù)據(jù)傳輸和非周期性數(shù)據(jù)傳輸都必須有很高的實(shí)時(shí)性,響應(yīng)時(shí)間通常為（1～10）ms。
（3）命令執(zhí)行和狀態(tài)反饋的同步性。為了達(dá)到各坐標(biāo)軸的同步運(yùn)動(dòng)精度,需要各軸在收到命令值之后必須在同一時(shí)刻同時(shí)執(zhí)行位置控制指令和同時(shí)采樣當(dāng)前位置,發(fā)送給控制單元。

3CAN總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

CAN總線（ControllerAreaNetwork控制局域網(wǎng)絡(luò)）,是一種普遍的應(yīng)用。通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制,使伺服電機(jī)的性能更加穩(wěn)定,能更好更靈活地地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。

如圖1所示,基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)相比,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。多個(gè)CAN控制器節(jié)點(diǎn)通過CAN總線通信媒介平行互聯(lián)為一個(gè)單層結(jié)構(gòu)的基于CAN總線的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)需要更多軸運(yùn)動(dòng)控制時(shí),只需要簡單的再增加新運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn),把新的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)作為新的CAN總線節(jié)點(diǎn)掛接到CAN總線上就可以形成一個(gè)分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),而且無需在硬件上對(duì)原有的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)做任何的修改。也可通過互聯(lián)網(wǎng)關(guān)與IE（IndustryEthernet）或Intranet/Internet上下互聯(lián)為一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。