徐 杰,金 海,魯文其

(1.浙江理工大學(xué),a.信息學(xué)院; b.機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,杭州 310018; 2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,杭州 310027)

基于CAN總線通信的雙電機(jī)速度聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 杰1a,金 海1a,魯文其1b,2

(1.浙江理工大學(xué),a.信息學(xué)院; b.機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,杭州 310018; 2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,杭州 310027)

針對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)模擬量方式控制靈活性不高、響應(yīng)滯后、精確性不夠以及零漂等問(wèn)題,提出了基于CAN總線的雙電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電機(jī)速度的單軸控制、雙軸交替控制以及同步控制模式,搭建了雙電機(jī)速度聯(lián)動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并且進(jìn)行了多個(gè)控制模式的測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性高、性能穩(wěn)定、控制響應(yīng)迅速,能實(shí)現(xiàn)對(duì)雙電機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制,是一種適合高端數(shù)控裝備多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)自動(dòng)化解決方案。

CAN總線; CANopen協(xié)議; 速度控制; 多軸聯(lián)動(dòng); 電機(jī); 控制系統(tǒng)

0 引 言

在現(xiàn)代機(jī)械制造中,特別在紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、食品機(jī)械等大規(guī)模、自動(dòng)化程度高的電機(jī)控制場(chǎng)合,多軸聯(lián)動(dòng)控制的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,已經(jīng)成為高性能、高品質(zhì)機(jī)械制造的重要標(biāo)志。在多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,德國(guó)西門(mén)子840D、日本FUNAC、法國(guó)NUM等數(shù)控系統(tǒng)都走前列;國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的基于工業(yè)以太網(wǎng)的五軸聯(lián)動(dòng)高性能數(shù)控機(jī)床已經(jīng)投入應(yīng)用,但總的來(lái)說(shuō)發(fā)展較國(guó)外滯后,多軸聯(lián)動(dòng)產(chǎn)品性能相對(duì)較差。

目前,國(guó)內(nèi)多軸聯(lián)動(dòng)產(chǎn)品的控制方案大多采用模擬量控制方式,該方案利用模擬量的大小來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、利用模擬量的極性來(lái)控制方向,但這種方案存在控制靈活性不高、響應(yīng)滯后、精確性不夠以及零漂等問(wèn)題[1]。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和成熟,將CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制,構(gòu)成分布式控制的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)日益受到人們的重視[2]。

國(guó)內(nèi)提出了許多CAN總線運(yùn)用的實(shí)例,如馬宏偉[3]將CAN總線運(yùn)用于移動(dòng)機(jī)器人的控制,通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的多軸控制;呂應(yīng)明等[4]以帶有CAN接口的PLC為主控制器,以單片機(jī)和CAN控制器等構(gòu)成分布式控制終端節(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的分布式位置伺服系統(tǒng)并已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。本文應(yīng)用CAN總線建立了雙電機(jī)速度聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)了電機(jī)速度的多種控制模式,搭建了雙電機(jī)速度聯(lián)動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行多個(gè)控制模式的測(cè)試分析。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的雙電機(jī)速度聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器、下位機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器(CAN-servo)和伺服電機(jī)組成,整體方案如圖1所示。其中上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器采用了步科的觸摸屏和PLC,是整個(gè)系統(tǒng)的主控制器,除了對(duì)各節(jié)點(diǎn)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象(PDO)控制命令外,還需要接收各驅(qū)動(dòng)器節(jié)點(diǎn)的過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象(PDO)工作狀態(tài)信息、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(SDO)確認(rèn)信息以及節(jié)點(diǎn)監(jiān)控和保護(hù)反饋信息,將信息傳送給觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,并根據(jù)從站的反饋信息通過(guò)CAN總線通信對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制[5-7];CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議采用CANopen協(xié)議,CANopen通信部分由DS301協(xié)議實(shí)現(xiàn),伺服控制部分由DSP402協(xié)議實(shí)現(xiàn);伺服驅(qū)動(dòng)器作為CAN2接口CANopen的從節(jié)點(diǎn),它通過(guò)CAN通信接口與CAN總線相連,具有CANopen的通訊功能,負(fù)責(zé)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置等對(duì)象;觸摸屏作為CAN1接口CANopen的從節(jié)點(diǎn),通過(guò)CAN通信接口與CAN總線相連,負(fù)責(zé)給運(yùn)動(dòng)控制器傳輸數(shù)據(jù),并根據(jù)上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器反饋的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

本文根據(jù)不同工況需求,針對(duì)雙電機(jī)速度聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種控制方案,包括單軸控制、雙軸交替控制以及同步控制,其原理框圖分別如圖2、圖3及圖4所示。其中,速度單軸控制可以對(duì)兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立的進(jìn)行速度與運(yùn)行時(shí)間控制;速度雙軸交替控制通過(guò)對(duì)兩個(gè)電機(jī)交替速度電機(jī)速度和時(shí)間的控制,以使兩個(gè)電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的速度和時(shí)間交替運(yùn)行;速度同步控制通過(guò)對(duì)兩個(gè)電機(jī)同步參數(shù)的控制,使兩個(gè)電機(jī)以相同的速度同步啟停。

圖2 單軸速度模式

圖3 速度交替模式

圖4 速度同步模式

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證方案的正確性,本文搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖5所示。整個(gè)控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC上位機(jī)、CAN總線、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)中所有的伺服驅(qū)動(dòng)器的CAN接口都并行連接在CAN總線上,構(gòu)成如圖1所示的控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)中有多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送CAN信息時(shí),根據(jù)CAN總線通信的仲裁機(jī)制對(duì)每條信息的標(biāo)識(shí)符(ID)進(jìn)行仲裁,通過(guò)ID決定占用總線的優(yōu)先級(jí),信息的ID越小優(yōu)先級(jí)越高[8-9]。

設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器(CAN-servo)的參數(shù)時(shí),兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器CAN通信節(jié)點(diǎn)參數(shù)號(hào)(Pn704)CANopen通信軸地址分別設(shè)置為1、2。參數(shù)號(hào)(Pn703.0)CAN通信速率設(shè)置為[4]500K,參數(shù)號(hào)(Pn006)進(jìn)制位參中的Pn006.0總線類(lèi)型設(shè)置為[3]CANopen通信。觸摸屏參數(shù)配置時(shí)在HMI屬性中選擇現(xiàn)場(chǎng)總線配置,通信協(xié)議配置為CANopen Node Slave。波特率設(shè)置為500 K,與伺服驅(qū)動(dòng)器波特率一致。

圖5 基于CAN總線通信的雙電機(jī)聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

步科F1系列PLC的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境選用CoDeSys,它是德國(guó)3S公司開(kāi)發(fā)的一種可視化PLC編程環(huán)境。程序包含1個(gè)主程序和若干個(gè)子程序,主程序主要包含子程序的入口程序、代碼初始化程序,子程序主要包含驅(qū)動(dòng)器使能上電子程序、單軸模式功能子程序、雙軸速度交替子程序和雙軸速度同步子程序。

4 實(shí) 驗(yàn)

在本文搭建的平臺(tái)上,對(duì)本文設(shè)計(jì)的3種聯(lián)動(dòng)控制方案進(jìn)行測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)中伺服驅(qū)動(dòng)器(CAN-servo)額定功率為0.75 kW,具有CAN通訊功能;伺服電機(jī)型號(hào)為增量編碼型EMJ-08ADA22,額定功率為0.75 kW,最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

實(shí)驗(yàn)中為每一個(gè)CANopen設(shè)備分配一個(gè)唯一的節(jié)點(diǎn)ID,從站分配的節(jié)點(diǎn)分別為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2。由于伺服驅(qū)動(dòng)器CANopen只支持4個(gè)發(fā)送PDO,4個(gè)接收PDO,每個(gè)PDO有最大8字節(jié)數(shù)據(jù)的限制,主要用于傳輸不超過(guò)8個(gè)字節(jié)并且實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù),如對(duì)象字典中的控制字、狀態(tài)字等;服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(SDO)用于傳輸大于8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)并且實(shí)時(shí)性要求不高的大數(shù)據(jù)配置信息。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)具體情況選擇PDO或者SDO來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

4.1 單軸速度控制模式波形分析

式(4)中：α，β及K，T都與船舶的航速相關(guān)，且與船舶和舵的水動(dòng)力性能有關(guān)；δf為非線性船舶模型的反饋?lái)?xiàng)，其求取方法可參考文獻(xiàn)[4]。

在單軸速度控制參數(shù)波形分析時(shí),只對(duì)1號(hào)軸參數(shù)進(jìn)行采集分析。實(shí)驗(yàn)中1號(hào)軸的速度值設(shè)置為1 000 rpm,運(yùn)行時(shí)間為5 000 ms。

單軸速度控制時(shí)采集的波形如圖6所示。從采集的波形中可以看出,在指令轉(zhuǎn)速1 000 rpm時(shí),電機(jī)均能較快地達(dá)到指定轉(zhuǎn)速,響應(yīng)迅速。電機(jī)的反饋速度值為1 000 rpm,速度曲線存在一定的波動(dòng),運(yùn)行時(shí)間為5 000 ms,達(dá)到了轉(zhuǎn)速和時(shí)間控制的要求。

圖6 單軸速度模式采集的波形

4.2 雙軸速度交替模式波形分析

實(shí)驗(yàn)中1號(hào)軸的速度值設(shè)置為1 000 rpm,交替運(yùn)行時(shí)間為1 000 ms,2號(hào)軸的速度值設(shè)置為500 rpm,交替運(yùn)行時(shí)間為2 000 ms,交替次數(shù)為5次。

圖7為雙軸速度交替模式采集的波形,從采集的波形中可以看出,1號(hào)軸在指令速度1 000 rpm,2號(hào)軸在指令速度500 rpm下電機(jī)均能較快地達(dá)到指定轉(zhuǎn)速。從反饋波形圖7(a)可以看出,1號(hào)軸運(yùn)行時(shí)反饋速度值為1 000 rpm,存在較小的速度波動(dòng),交替運(yùn)行時(shí)間為1 000 ms左右;2號(hào)軸運(yùn)行時(shí)反饋速度值為500 rpm,存在一定的速度波動(dòng),交替運(yùn)行時(shí)間為2 000 ms左右;1號(hào)軸和2號(hào)軸交替次數(shù)均為5次。在交替變化時(shí)刻,一軸停止到另外一軸響應(yīng)的時(shí)間大約為150 μs,與實(shí)驗(yàn)采用CAN通信速率500 Kbps計(jì)算出的理論值128 μs一致,響應(yīng)迅速。采用傳統(tǒng)模擬量接口的雙軸控制方式的響應(yīng)時(shí)間大約為10 ms左右[10],可見(jiàn)用CAN總線通訊方式相對(duì)比傳統(tǒng)模擬量接口控制方式在雙軸控制響應(yīng)時(shí)間上有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖7 雙軸速度交替模式采集的波形

4.3 雙軸速度同步模式波形分析

實(shí)驗(yàn)中同步速度值設(shè)置為1 000 rpm,運(yùn)行時(shí)間為10 000 ms。

雙軸速度同步模式采集的波形如圖8所示。從采集的波形中可以看出,1號(hào)軸和2號(hào)軸在相同的指令速度1 000 rpm下均能較快地同步達(dá)到指定轉(zhuǎn)速1 000 rpm。從反饋波形圖8(a)可以看出,1號(hào)軸和2號(hào)軸均以1 000 rpm左右的轉(zhuǎn)速同時(shí)運(yùn)行了10 000 ms。在給1號(hào)軸和2號(hào)軸同時(shí)發(fā)送速度指令時(shí),根據(jù)CAN總線的仲裁機(jī)制,高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)將會(huì)被優(yōu)先發(fā)送。這里發(fā)送給1號(hào)軸的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)高于發(fā)送給2號(hào)軸的數(shù)據(jù),所以先是發(fā)送給1號(hào)軸速度指令,1號(hào)軸數(shù)據(jù)傳遞完畢然后再發(fā)送給2號(hào)軸速度指令,這之間的響應(yīng)時(shí)間極短,約為64 μs?？梢?jiàn)CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹俨脵C(jī)制保證了控制中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?zhǔn)確性,相對(duì)于傳統(tǒng)模擬量接口控制方式有優(yōu)勢(shì)。

圖8 雙軸速度同步模式采集的波形

5 結(jié) 語(yǔ)

a) 本文針對(duì)傳統(tǒng)基于模擬量接口電機(jī)控制系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題,結(jié)合DS301和DSP402協(xié)議,設(shè)計(jì)了基于CAN總線的分布式雙電機(jī)控制方案;

b) 設(shè)計(jì)了電機(jī)速度的單軸控制、雙軸交替控制以及同步控制模式,搭建了雙電機(jī)速度聯(lián)動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并進(jìn)行了多個(gè)控制模式的測(cè)試分析;

c) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性高、性能穩(wěn)定、控制響應(yīng)迅速,只要在CAN總線上增加多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)伺服電機(jī)的精確控制,是一種適合高端數(shù)控裝備多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)自動(dòng)化解決方案。

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(責(zé)任編輯：康 鋒)

Double-Motor Speed Linkage Control System Design Based on CAN Bus Communication

XUJie1a,JINHai1a,LUWen-qi1b,2

(1a.School of Information Science and Technology; 1b.School of Mechanical Engineering & Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China; 2.School of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310018,China)

Since traditional motor control system is controlled through analog quantity mode,it has such problems as low flexibility,response lag,insufficient accuracy and zero drift.In view of the above problems,this paper puts forward double-motor control system design scheme based on CAN bus.On this basis,we design single-axis control of motor speed,dual-axis alternating control and synchronous control mode,set up an experiment platform for double-motor speed linkage control and carry out test and analysis of multiple control modes.The results show the control system has simple structure,high flexibility,stable performance and quick control response,and can achieve linkage control of the double-motor.It is a kind of industrial automation solution suitable for multi-motor drive of high-end CNC equipment.

CAN bus; CANopen protocol; speed control; multi-axis linkage; motor; control system

1673-3851 (2015) 02-0209-05

2014-08-05

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51307151);浙江省自然科學(xué)基金一般項(xiàng)目(LY13E070005);浙江省博士后科研擇優(yōu)資助項(xiàng)目(BSH1402065)

徐 杰(1989-),男,浙江建德人,碩士研究生,主要從事伺服電機(jī)控制方面的研究。

魯文其,E-mail:luwenqi@zstu.edu.cn

TS103.234

A