基于CAN总线的伺服运动同步控制系统设计

摘要：介绍了CAN总线与伺服电机的特点，运用伺服及其CAN总线技术实现的交流伺服运动控制系统，设计了整个控制系统的各个部分及其内部模块。从硬件与软件两方面将其与一般的CAN总线控制系统相比较，体现出该系统各方面的特点与优势。并讨论了伺服电机基于CAN总线的通信控制特性。

0前言

CAN现场总线是20世纪80年代末由德国Bosch公司为公共汽车系统设计的现场总线，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信局域网，由于其高性能，高可靠性、实时性好以及独特的设计，已广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信，是迄今为止唯一成为国际标准的现场总线，也是公认的全球范围内最具前途的现场总线之一。由于CAN总线系统的特性,后来CAN总线广泛地应用于过程工业、机械工业、纺织工业、农用机器、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域。1999年，6千万个CAN总线控制器投入使用，2000年市场销售超过一亿个现场总线器件。CAN总线在工控领域兴起应用热潮。

在印刷机械行业中，多电机的同步控制是一个非常重要的问题。由于印刷产品的特殊工艺要求，尤其是对于多色印刷，为了保证印刷套印精度（一般≤0.05mm），要求各个电机位置转差率很高（一般≤0.02%）。在传统的印刷机械中，以往大都采用以机械长轴作为动力源的同步控制方案，但机械长轴同步控制方案易出现振荡现象，各个机组互相干扰，而且系统中有许多机械零件，不方便系统维护和使用。随着机电一体化技术的发展，现场总线技术不断应用到各个领域并得到了广泛的应用。本文针对机组式印刷机械的同步需求，提出了一种基于CAN现场总线的同步控制解决方案，并得以验证。

1CAN总线控制系统设计

CAN是一种串行通信总线，采用CAN2.0A或2.0B通信标准，广播式通信方式，多主结构，无损仲裁，有完善的错误检测机制，自动重发机制。

CAN具有技术先进、可靠性高、成本合理的特点，但CAN协议本身并不完整。其定义了数据链路层和部分物理层，为网络中的CAN节点提供了一种广播式报文分帧传输通道，其流量控制、节点地址分配、通讯建立等具体内容需要使用者自己实现，因而需要建立应用层协议。当前国外流行的CAN总线分布式运动控制系统应用层协议主要标准有：CANopen协议，DeviceNet和SDS。国内主要标准有iCAN等，在国内已实现400万个节点。按照CAN总线协议，CAN总线可以是任意拓扑结构的，但一般来说，CAN总线主要采用：总线型、环型、星型和网状型4种拓扑结构。

图1基于CAN总线伺服运动控制系统结构

基于CAN总线的运动控制系统如图1所示，有两个显著的特点，第一是其控制对象为伺服运动控制对象，第二是其网络化控制器包括CAN总线通信媒介和CAN控制器节点两部分。

作为专门应用于工业自动化领域的网络，CAN总线具有以下优点：

(1)使用简单方便。

许多CAN控制器芯片如SJA1000T、Philips82C250等实现了CAN物理层及数据链路层的大部分，在使用时用户需要做的只是两件事：对CAN控制器进行初始化，对CAN总线上的数据进行收发操作。

(2)高效可靠。

CAN采用短帧结构，数据帧中的数据字段长度最多为8B，所以传输的速度快（最大通信速率可达1Mbps），受干扰的概率低。同时，CAN总线作为多主节点，各节点通过总线仲裁获得总线控制权，并拥有完善的错误处理机制，保证了各种干扰环境下数据传输的安全可靠。

(3)系统可扩充性好。

CAN总线是面向消息的编码，而不是面向设备的编码，故增添或删减CAN上的节点非常方便和灵活，易于系统的扩充。

2同步控制系统设计

考虑到印刷机中同步运动关系复杂，套印精度高、印刷机组点多、分散，多操作子站，印刷生产线长等特点，采用全分散、全数字、全开放的现场总线控制系统FCS，总线的选择选用CAN总线。

为了实现各个印刷机组的复杂同步关系，将主控制器和各个电机的伺服驱动器都挂接到CAN总线上，构成以印刷机控制器为核心的CAN现场总线系统，如图2所示为同步控制系统图。

控制器和伺服驱动器都配有CAN总线控制器SJA1000和收发器PCA82C250的通讯适配卡，通过连接在印刷机控制器上的CAN通讯适配卡，控制器可以方便、快速的与各伺服驱动器通讯，向各个伺服单元发送控制指令和位置给定指令，并实时获得各个伺服电机的状态信息，按照需要实时地对伺服参数进行修改，各个伺服单元也可以通过CAN总线及时的进行数据交换。各个伺服驱动器在获得自己的位置参考指令后，紧密的跟随位置指令。由于控制器的位置指令直接输入到各个伺服驱动器，因此每个伺服驱动器都获得同步运动控制指令，不受其他因素影响，即任一伺服单元都不受其他伺服单元的扰动影响。在这个系统中，控制器和各个伺服驱动器都作为一个网络节点，形成CAN控制网络。同时，由于采用现场总线控制系统，可以根据印刷规模，扩展网络节点个数。

图2同步控制系统图

3伺服电机接入CAN网

伺服电机的伺服控制器由于提供了专门的CAN总线接口X4，可以像其他的CAN节点一样，用普通双绞线作为通信介质，很方便地连接到基于CAN总线的工业控制系统上伺服控制器与伺服电机之间采用旋转变压器或光电编码器建立反馈，形成高精度的伺服控制系统，伺服电机实时地将其运行状态与运行信息上传给伺服控制器。作为CAN总线上的节点，伺服控制器不仅可以与上位主机进行通信，通过CAN总线接收上位机的各种操作、控制和参数设定命令；同时伺服控制器之间亦可以进行快速的数据交换，相互间建立一定的协调或控制关系。

上位主机通过接插支持CAN的通讯适配卡获得对CAN总线的支持，负责对整个系统的运行和工作状态进行监视管理。由于CAN总线在工业控制上的应用越来越广泛，很多公司都推出了支持CAN总线的接口适配卡，如研华的PCL-841通信卡、北京华控的HK-CAN20通信卡、北京三兴达公司的智能CAN-PC总线适配卡PCCAN等等，用户可以通过这些接口适配卡，来运行复杂的通信任务，进行各CAN节点与上位主机之间的数字通信和协调管理。

4伺服电机选择

以卷筒纸印刷机为例，其负载转动惯量很大，其中柔印机组为0.13kg·m2，胶印机组转动惯量最大，为0.33kg·m2。

由于系统定位精度要求≤0.03mm，考虑到负载的大惯量性，把控制周期定为2ms，要求位置环稳态误差为±1个脉冲。根据定位精度和稳态误差，可以折算出编码器线数为17000线，可是考虑到在实际印刷过程中，要不断调整不同机组的位置，如果编码器分辨率选17000线，在调整印辊时，由于机组转动惯量很大，将会产生很大的角加速度，进而产生很大的转矩。例如对于胶印机组，调整角加速度超过700rad/s2，调整转矩超过200N·m，一般的电机无法满足要求。

综合考虑，选择编码器分辨率为40000线，这样在调整过程中，减小了电机的调整加速度，进而减小了调整转矩。例如在负载惯量最大的胶印机组中，调整角加速度为78.6rad/s2，调整转矩为26N·m，凯奇电气公司的90M系列伺服电机完全可以满足要求。

5CAN总线的数据同步机制

为了实现基于CAN总线的应用，伺服控制器提供了专门的CAN总线功能模块组CAN-IN与CAN-OUT，作为过程数据通道，进行过程数据的传输。其中，功能块CAN-IN1与CAN-OUT1只用于伺服控制器与上位主机之间进行通信与数据传输。输入功能块CAN-IN1用于接收上位主机的数据信息，CAN-IN1有8B的数据空间可供用户使用配置，可以向其他内部功能模块提供二进制信号、16位的模拟信号、16位的速度信号以及32位的相位信号等多种控制信号。上位主机通过向根据实际应用配置的CAN-IN1模块发送命令信息，能实现伺服电机的速度给定、电机快停、电机的正反转切换、电机正常模式转速与恒定低速的切换、电机使能、电机禁止等各种功能。同样，CAN-OUT1功能模块亦有8B的数据空间可供用户使用，可以通过配置向上位主机实时地提供电机的各种状态信息、电机的实际速度、电机的实际相位等信息。

（1）硬件时钟同步。硬件时钟同步是指利用一定的硬件设施（如GPS接收机、UTC接收机、专用的时钟信号线路等）进行的局部时钟之间的同步，操作对象是计算机的硬件时钟。硬件同步可以获得很高的同步精度（通常为10-9秒至10-6秒）。

（2）同步报文授时同步。在每个通讯周期开始，主站以广播形式发送一次同步报文。例如在SERCOS协议数据传输层中，每个SERCOS的通讯周期开始都以主战发送的同步报文MST为标志。MST的数据域非常短，只占1个字节。MST报文的同步精度很高，如果用光缆做传输介质，同步精度可在4微妙之内。

（3）协议授时同步。协议授时也叫软件授时，指利用网络将主时钟源，通过网络，发给其他的子系统，以达到整个系统的时间同步性。通过计算从发出主时钟信息到发送到目标节点接受该信息并产生中断之间的时间差，可以得出延迟时间。然后通过延时补偿来达到时间同步。软件授时成本低，可由于同步信息在网络上传输的延迟大且有很大的不确定性，所以授时精度低（通常为10-6秒到10-3秒）。

6上位主机的软件设计

通过CAN总线进行通信与控制的伺服电机，在针对实际的应用要求配置好伺服控制器的内部控制信号流，以及基于CAN的接口功能模块和数据通道后，剩下需要解决的是上位主机的软件设计问题。

由于上位主机所接插的CAN通讯适配卡一般都提供CAN的驱动函数，所以在上位机软件的编制过程中，实现与CAN总线的通信部分可以直接调用相应的函数，如上位主机与CAN通信的主要任务：对CAN适配卡的初始化、CAN信息包的发送、CAN信息包的接收等，都有现成的函数可以使用，为用户使用CAN进行通信提供了方便。对CAN通讯适配卡的初始化主要是初始化适配卡的各个寄存器，设置中断向量、通信卡的波特率以及中断屏蔽字等必要的参数，为正常通信作准备。实现CAN信息包的发送，首先要确定信息包的11位信息标识符，填入帧头，并在数据域中填入需要发送的数据信息，通过发送函数发送给所有CAN节点或特定的CAN节点上。而对于使用接收函数所接收的CAN信息包，亦通过其11位信息标识符，判断其来源，对数据域的数据进行处理，取得有效的信息，进行显示或存储，并按照控制需要发送控制指令。

7结论

以CAN现场总线实现在控制器和伺服之间的通信。不仅克服了传统机械长轴控制方案的各种机械元件带来的缺点，而且还具有同步性能好、各伺服单元不互相干扰、控制精度高、维护方便等优点。伺服电机CAN接口的引入，提高了伺服电机的自动化水平，使伺服电机在工业控制网络中的通信与控制更为方便、灵活和可靠。CAN总线在现代工业控制系统中越来越广泛的应用，为带CAN接口的伺服电机提供了广阔的应用前景。