萬　其，劉　洋

(南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院，　南京 211167)

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·天饋伺系統(tǒng)·

基于CANopen的雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制技術(shù)研究

萬其，劉洋

(南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院，南京 211167)

同軸驅(qū)動是增大輸出功率或消除傳動齒隙非線性對控制精度影響的有效手段。針對雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制需求，建立基于CANopen協(xié)議的雙電機(jī)同軸控制系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了雙電機(jī)消隙控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，探討了CANopen的傳輸時序設(shè)計(jì)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用具備CANopen協(xié)議的通用伺服驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)的雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了伺服系統(tǒng)控制精度和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

雙電機(jī)；同軸；CANopen協(xié)議

0　引　言

同軸驅(qū)動屬于多電機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)范疇，其應(yīng)用主要來源于兩類需求：一是在一些重載系統(tǒng)中往往單臺電機(jī)驅(qū)動難以滿足要求，需要多臺電機(jī)協(xié)調(diào)傳動，如盾構(gòu)機(jī)刀盤多電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)[1]、石油鉆機(jī)起升系統(tǒng)[2]等；另一類是為了提高控制系統(tǒng)的精度，采用多電機(jī)同軸驅(qū)動消除傳動鏈中齒隙，廣泛應(yīng)用于各類軍事領(lǐng)域、精密機(jī)械加工等機(jī)電一體化設(shè)備的自動控制系統(tǒng)中，如軍事領(lǐng)域中精密測量雷達(dá)裝備[3-4]、機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺[5-6]等。

同軸驅(qū)動是將多臺電機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)連接，共同驅(qū)動負(fù)載設(shè)備，目前，同軸驅(qū)動控制技術(shù)主要從控制結(jié)構(gòu)和控制算法方面開展研究，控制結(jié)構(gòu)采用較多的是單速度回路控制，速度控制器的輸出作為所有電機(jī)轉(zhuǎn)矩回路的輸入，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)力矩均衡驅(qū)動，在需要消除傳動齒隙的系統(tǒng)中，增加偏置轉(zhuǎn)矩，消除傳動齒隙[7]；主從式結(jié)構(gòu)是將主電機(jī)控制器的輸出轉(zhuǎn)矩作為從電機(jī)轉(zhuǎn)矩回路的輸入[8]，在上述控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加神經(jīng)元[9]、模糊控制等先進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的控制性能。

CANopen由非營利組織CiA(CAN in Automation)起草，是架構(gòu)在控制局域網(wǎng)路CAN(Controller Area Network)上的高層通信協(xié)定，具備通信實(shí)時性好、可靠性高及低成本等優(yōu)點(diǎn)，CiA DS301定義了基本設(shè)備及通信子協(xié)議，CiA DS402在CiA DS301基礎(chǔ)上補(bǔ)充定義運(yùn)動控制子協(xié)議。為實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同軸驅(qū)動，需要在伺服電機(jī)驅(qū)動器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，利用具備CAN網(wǎng)絡(luò)的通用伺服驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)同軸驅(qū)動是快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。

1　系統(tǒng)控制

1.1控制系統(tǒng)組成

基于CANopen的雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制系統(tǒng)組成如圖1所示，由上位機(jī)、速度控制器、伺服驅(qū)動器1、伺服驅(qū)動器2、電機(jī)減速機(jī)1、電機(jī)減速機(jī)2、負(fù)載及目標(biāo)軸角度傳感器等組成。速度控制器具備兩路CAN總線接口，一路與上位機(jī)相連，接收上位機(jī)速度給定指令及回送控制系統(tǒng)狀態(tài)，另一路與伺服驅(qū)動器1、2相連，傳輸轉(zhuǎn)矩指令及接收伺服驅(qū)動器1、2實(shí)時檢測的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速及實(shí)際轉(zhuǎn)矩，其中伺服驅(qū)動器1、2支持CiA DS301協(xié)議和CiA DS402協(xié)議。在上述系統(tǒng)中，位置控制由上位機(jī)完成，速度控制器實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)同軸驅(qū)動的速度和消隙控制，伺服驅(qū)動器設(shè)置為轉(zhuǎn)矩模式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，位置控制為常規(guī)的控制方法，以下主要描述雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制系統(tǒng)的速度控制實(shí)現(xiàn)方法。

圖1　控制系統(tǒng)組成

1.2速度控制器的硬件

速度控制器是銜接上位機(jī)與伺服驅(qū)動器的紐帶，同時完成速度和消隙控制。依據(jù)系統(tǒng)需求，速度控制器具備兩路CAN控制器及完成速度、消隙等控制的運(yùn)算，采用意法半導(dǎo)體STM32F407為控制核心，具備兩路CAN控制器及浮點(diǎn)運(yùn)算功能，硬件組成如圖2所示，配備STM32F407的最小系統(tǒng)電路及兩路CAN收發(fā)的物理接口。

圖2　速度控制器的硬件組成

1.3雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制回路

雙電機(jī)同軸驅(qū)動主要應(yīng)用于增大驅(qū)動功率或消除傳動鏈齒隙對系統(tǒng)性能的影響，消隙控制的雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制系統(tǒng)回路如圖3所示，其中速度控制(速度環(huán)校正)、消隙控制等在圖1的速度控制器中完成，轉(zhuǎn)矩環(huán)在圖1的伺服驅(qū)動器中完成(即將伺服驅(qū)動器設(shè)置為轉(zhuǎn)矩控制模式)。雙電機(jī)同軸驅(qū)動的兩臺電機(jī)通過傳動鏈剛性連接，單速度回路采用和速反饋控制策略，即速度反饋取自兩臺電機(jī)的實(shí)際速度之和除以2。

圖3　雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制系統(tǒng)回路框圖

消隙控制偏置轉(zhuǎn)矩F(x)是兩臺電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩之和x的函數(shù)，計(jì)算如下

(1)

式中：k為最大偏置轉(zhuǎn)矩，可依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，通常選取系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩的20%左右，當(dāng)轉(zhuǎn)矩之和x較小時，消隙控制輸出固定的偏置轉(zhuǎn)矩k/2，隨著轉(zhuǎn)矩之和x的增加，偏置轉(zhuǎn)矩逐漸減小為0，避免電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩?fù)p失，將速度控制器的輸出與消隙偏置轉(zhuǎn)矩F(x)進(jìn)行疊加，即完成雙電機(jī)同軸驅(qū)動的消隙控制。為提高輸出功率的雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制回路框圖與圖2類似，去除消隙相關(guān)控制即可，在此不再贅述。

2　基于CANopen控制

2.1CANopen簡介

CANopen設(shè)備由三個部分構(gòu)成，即應(yīng)用部分、通信部分和對象字典，應(yīng)用部分是設(shè)備的工作程序，通信部分根據(jù)CANopen協(xié)議在CAN總線上收發(fā)報(bào)文，對象字典描述了設(shè)備使用的各種數(shù)據(jù)及參數(shù)。CANopen協(xié)議定義了四種報(bào)文格式實(shí)現(xiàn)不同功能的通信，網(wǎng)絡(luò)管理NMT實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)傳輸控制命令及從站點(diǎn)傳輸心跳報(bào)文等功能，服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO 用于傳輸非實(shí)時性數(shù)據(jù)，過程數(shù)據(jù)對象PDO傳輸無協(xié)議通信，用于傳輸實(shí)時性要求高的過程數(shù)據(jù)，特殊功能協(xié)議實(shí)現(xiàn)同步對象(SYNC)及緊急事件對象(Emergency)等傳輸功能。

2.2伺服驅(qū)動器PDO通道映射

依據(jù)1.2節(jié)描述的雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制需求，速度控制器需要實(shí)時采集伺服驅(qū)動器中的實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速，消隙控制需要實(shí)時采集伺服驅(qū)動器中的實(shí)際轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，消隙控制的輸出即伺服驅(qū)動器的轉(zhuǎn)矩給定也需要實(shí)時傳輸，結(jié)合CANopen傳輸報(bào)文特點(diǎn)，上述數(shù)據(jù)通過過程數(shù)據(jù)對象PDO進(jìn)行傳輸。每個PDO通道最大可以映射八個字節(jié)，為提高傳輸實(shí)時性，僅使用伺服驅(qū)動器中PDO發(fā)送通道1(TPDO1)和PDO接收通道1(RPDO1)。表1、表2分別為TPDO1、RPDO1的重映射數(shù)據(jù)(兩臺伺服驅(qū)動的PDO映射完全相同)，表中數(shù)據(jù)均為16進(jìn)制。TPDO1映射了三個對象，即實(shí)際轉(zhuǎn)速(606c)、實(shí)際轉(zhuǎn)矩(6077)、故障信息(1001)，共占用7字節(jié)，RPDO1映射了控制字(6040、32位)和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩(6071、16位)，速度控制器通過接收TPDO1的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)速度、消隙的控制，同時通過RPDO1，發(fā)送控制字及目標(biāo)轉(zhuǎn)矩到伺服驅(qū)動器，這種映射方法將全部控制功能在CANopen過程通道(PDO)中實(shí)現(xiàn)，無需再有其他SDO通信，減小CAN總線負(fù)載，提高系統(tǒng)實(shí)時性。

表1　TPDOI映射

表2　RPDIO映射

2.3CANopen通訊時序

為提高速度控制采樣頻率，合理設(shè)計(jì)CANopen時序非常重要，在CANopen中存在兩種通信模式，即同步通信和異步通信，為提高同步性能，CANopen通信采樣同步模式，由速度控制器發(fā)送同步幀控制CANopen通信過程。

圖4為CANopen數(shù)據(jù)傳輸時序設(shè)計(jì)，其中，Ts為速度控制采用周期，①為定時中斷周期起點(diǎn)，在此時刻，速度控制發(fā)送同步幀SYNC，經(jīng)過T1后在時刻②完成，伺服驅(qū)動器1、2接收到同步幀后，TPDO1回送數(shù)據(jù)，經(jīng)過T2、T3即在時刻③、④分別接收到伺服驅(qū)動器1、2回送的實(shí)際轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)矩值，在時刻④速度控制器開始速度控制校正運(yùn)算及消隙偏置力矩等計(jì)算，經(jīng)歷T4，在時刻⑤完成計(jì)算，并發(fā)送轉(zhuǎn)矩給定到伺服驅(qū)動器1的RPDO1，經(jīng)歷T5后完成發(fā)送，在時刻⑥發(fā)送轉(zhuǎn)矩給定到伺服驅(qū)動器2的RPDO1，在時刻⑦完成，T7為采樣周期中空閑時間，用于速度控制器處理與上位機(jī)通信等。

圖4　CANopen數(shù)據(jù)傳輸時序

3　系統(tǒng)測試

按圖1構(gòu)建雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制系統(tǒng)，速度控制器硬件設(shè)計(jì)見1.2節(jié)，伺服電機(jī)驅(qū)動器選擇Elmo Whistle數(shù)字伺服控制器，支持CiA DS301、CiA DS402協(xié)議，圖5為雙電機(jī)同軸驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，包括電機(jī)、減速機(jī)、齒輪箱、模擬負(fù)載慣量盤等。

3.1控制時序測試

依據(jù)2.3節(jié)描述的CANopen時序設(shè)計(jì)，進(jìn)行了實(shí)際通信測試，測試條件為CAN總線通信波特率500 kHz，速度回路周期5 ms(采樣頻率200 Hz)，表3為CAN總線通信調(diào)試器在計(jì)算機(jī)中記錄的CANopen通信時序。

按圖4的數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行測試，同步SYNC發(fā)出后，經(jīng)過約0.7 ms后接收伺服驅(qū)動器1回送的速度反饋和轉(zhuǎn)矩反饋，再經(jīng)過約0.7 ms(T1)后接收伺服驅(qū)動器2回送的速度反饋和轉(zhuǎn)矩反饋，完成反饋數(shù)據(jù)的傳輸，圖4中T4為速度控制器開始速度控制校正運(yùn)算及消隙偏置力矩計(jì)算等計(jì)算時間，從表3中可估算約70 μs，完成運(yùn)算后，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過實(shí)測，包含五次CAN數(shù)據(jù)傳輸及運(yùn)算時間約為0.7 ms×5+0.07 ms=3.57 ms，因此速度回路采樣周期為5 ms是合適的。

3.2同軸驅(qū)動速度階躍特性

在試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行速度控制測試，數(shù)據(jù)是CAN總線調(diào)試軟件記錄，速度控制的采樣周期為5 ms，因此記錄的數(shù)據(jù)為每一幀5 ms。圖6為雙電機(jī)驅(qū)動速度階躍兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，由于轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)遠(yuǎn)小于記錄周期5 ms，因此，轉(zhuǎn)矩?zé)o法觀察到響應(yīng)時間，由圖6可以看出，在初始階段，和力矩小，產(chǎn)生消隙轉(zhuǎn)矩，當(dāng)系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)矩較大時，消隙轉(zhuǎn)矩為0。圖7為速度階躍響應(yīng)曲線，輸入為額定轉(zhuǎn)速的30%左右，響應(yīng)時間為120 ms左右，超調(diào)量小。為方便觀察，將圖6、圖7合并在一起為圖8所示的速度階躍的轉(zhuǎn)矩和速度響應(yīng)曲線。通過上述試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于CANopen的雙電機(jī)同軸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

圖6　速度階躍電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性

圖7　速度階躍響應(yīng)曲線

圖8　速度階躍的轉(zhuǎn)矩和速度響應(yīng)性能

4　結(jié)束語

同軸驅(qū)動是增大輸出功率或消除傳動齒隙非線性對控制精度影響的有效手段，建立基于CANopen協(xié)議的雙電機(jī)同軸控制系統(tǒng)，并重點(diǎn)描述了雙電機(jī)消隙控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)介紹了CANopen的傳輸時序設(shè)計(jì)過程。該系統(tǒng)利用通用伺服驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)方法簡單，工程實(shí)用性強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用具備CANopen協(xié)議的通用伺服驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)的雙電機(jī)同軸驅(qū)動控制，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠滿足伺服系統(tǒng)控制精度和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

基于CANopen協(xié)議的雙電機(jī)同軸控制系統(tǒng)也可以用于多電機(jī)的同軸驅(qū)動控制，由于多電機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增大，實(shí)時性能受到影響，因此，如何將基于通用現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用到多電機(jī)同軸控制且提高通信實(shí)時性是目前多電機(jī)同軸控制的研究方向之一。

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萬其男，1970年生，研究員級高級工程師。研究方向?yàn)樗欧刂萍夹g(shù)。

劉洋男，1993年生，本科。研究方向?yàn)樽詣涌刂啤?/p>

A Study on the Dual Motor Coaxial Driven Contol Based on CANopen

WAN Qi，LIU Yang

(School of Automation, Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167, China)

Coaxial driven is an effective means to increase the output power or eliminate the nonlinearity of the transmission gear backlash on the control precision. According to the requirement of dual motor coaxial driven control, a dual motor coaxial control system based on CANopen protocol is set up. The implementation of dual motor anti-backlash control system is emphasized, and the design process of transmission sequence of CANopen is discussed. The experimental results show that using the universal servo driver with CANopen protocol to realize the dual motor coaxial driven control, which simplifies the design of system, improves the control precision of servo system and improves the dynamic performance of the system.

dual motor；coaxial driven；CANopen

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.09.015

南京工程學(xué)院科研基金項(xiàng)目(YKJ201319)

萬其Email：qiwanchen@163.com

2016-04-26

2016-06-27

TM341

A

1004-7859(2016)09-0071-04