萬　其，劉　洋

(南京工程學院 自動化學院，　南京 211167)

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·天饋伺系統(tǒng)·

基于CANopen的雙電機同軸驅(qū)動控制技術(shù)研究

萬其，劉洋

(南京工程學院 自動化學院，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。針對雙電機同軸驅(qū)動控制需求，建立基于CANopen協(xié)議的雙電機同軸控制系統(tǒng)，重點介紹了雙電機消隙控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，探討了CANopen的傳輸時序設(shè)計過程。實驗結(jié)果表明：采用具備CANopen協(xié)議的通用伺服驅(qū)動器實現(xiàn)的雙電機同軸驅(qū)動控制，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，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；同軸；CANopen協(xié)議

0　引　言

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

同軸驅(qū)動是將多臺電機通過傳動機構(gòu)連接，共同驅(qū)動負載設(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轉(zhuǎn)矩回路的輸入，實現(xiàn)多電機力矩均衡驅(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)是將主電機控制器的輸出轉(zhuǎn)矩作為從電機轉(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]、模糊控制等先進算法，實現(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，具備通信實時性好、可靠性高及低成本等優(yōu)點，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)上補充定義運動控制子協(xié)議。為實現(xiàn)多電機同軸驅(qū)動，需要在伺服電機驅(qū)動器之間進行數(shù)據(jù)實時傳輸，利用具備CAN網(wǎng)絡(luò)的通用伺服驅(qū)動器實現(xiàn)同軸驅(qū)動是快速實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的方法。

1　系統(tǒng)控制

1.1控制系統(tǒng)組成

基于CANopen的雙電機同軸驅(qū)動控制系統(tǒng)組成如圖1所示，由上位機、速度控制器、伺服驅(qū)動器1、伺服驅(qū)動器2、電機減速機1、電機減速機2、負載及目標軸角度傳感器等組成。速度控制器具備兩路CAN總線接口，一路與上位機相連，接收上位機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實時檢測的電機實際轉(zhuǎn)速及實際轉(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，位置控制由上位機完成，速度控制器實現(xiàn)雙電機同軸驅(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，實現(xiàn)電機的轉(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同軸驅(qū)動控制系統(tǒng)的速度控制實現(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、消隙等控制的運算，采用意法半導體STM32F407為控制核心，具備兩路CAN控制器及浮點運算功能，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雙電機同軸驅(qū)動控制回路

雙電機同軸驅(qū)動主要應用于增大驅(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)。雙電機同軸驅(qū)動的兩臺電機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的實際速度之和除以2。

圖3　雙電機同軸驅(qū)動控制系統(tǒng)回路框圖

消隙控制偏置轉(zhuǎn)矩F(x)是兩臺電機實際轉(zhuǎn)矩之和x的函數(shù)，計算如下

(1)

式中：k為最大偏置轉(zhuǎn)矩，可依據(jù)實際系統(tǒng)進行調(diào)整，通常選取系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩的20%左右，當轉(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，避免電機系統(tǒng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩損失，將速度控制器的輸出與消隙偏置轉(zhuǎn)矩F(x)進行疊加，即完成雙電機同軸驅(qū)動的消隙控制。為提高輸出功率的雙電機同軸驅(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，即應用部分、通信部分和對象字典，應用部分是設(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)議定義了四種報文格式實現(xiàn)不同功能的通信，網(wǎng)絡(luò)管理NMT實現(xiàn)主節(jié)點傳輸控制命令及從站點傳輸心跳報文等功能，服務數(shù)據(jù)對象SDO 用于傳輸非實時性數(shù)據(jù)，過程數(shù)據(jù)對象PDO傳輸無協(xié)議通信，用于傳輸實時性要求高的過程數(shù)據(jù)，特殊功能協(xié)議實現(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)描述的雙電機同軸驅(qū)動控制需求，速度控制器需要實時采集伺服驅(qū)動器中的實際電機轉(zhuǎn)速，消隙控制需要實時采集伺服驅(qū)動器中的實際轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，消隙控制的輸出即伺服驅(qū)動器的轉(zhuǎn)矩給定也需要實時傳輸，結(jié)合CANopen傳輸報文特點，上述數(shù)據(jù)通過過程數(shù)據(jù)對象PDO進行傳輸。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進制。TPDO1映射了三個對象，即實際轉(zhuǎn)速(606c)、實際轉(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)和目標轉(zhuǎn)矩(6071、16位)，速度控制器通過接收TPDO1的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)速度、消隙的控制，同時通過RPDO1，發(fā)送控制字及目標轉(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)中實現(xiàn)，無需再有其他SDO通信，減小CAN總線負載，提高系統(tǒng)實時性。

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，其中，Ts為速度控制采用周期，①為定時中斷周期起點，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回送的實際轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)矩值，在時刻④速度控制器開始速度控制校正運算及消隙偏置力矩等計算，經(jīng)歷T4，在時刻⑤完成計算，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)建雙電機同軸驅(qū)動控制系統(tǒng)，速度控制器硬件設(shè)計見1.2節(jié)，伺服電機驅(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為雙電機同軸驅(qū)動系統(tǒng)試驗平臺，包括電機、減速機、齒輪箱、模擬負載慣量盤等。

3.1控制時序測試

依據(jù)2.3節(jié)描述的CANopen時序設(shè)計，進行了實際通信測試，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)試器在計算機中記錄的CANopen通信時序。

按圖4的數(shù)據(jù)傳輸模式進行測試，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算及消隙偏置力矩計算等計算時間，從表3中可估算約70 μs，完成運算后，進行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過實測，包含五次CAN數(shù)據(jù)傳輸及運算時間約為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

在試驗系統(tǒng)上進行速度控制測試，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為雙電機驅(qū)動速度階躍兩臺電機的轉(zhuǎn)矩響應曲線，由于轉(zhuǎn)矩的響應遠小于記錄周期5 ms，因此，轉(zhuǎn)矩無法觀察到響應時間，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為速度階躍響應曲線，輸入為額定轉(zhuǎn)速的30%左右，響應時間為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)矩和速度響應曲線。通過上述試驗，驗證了基于CANopen的雙電機同軸控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

圖6　速度階躍電機轉(zhuǎn)矩特性

圖7　速度階躍響應曲線

圖8　速度階躍的轉(zhuǎn)矩和速度響應性能

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)議的雙電機同軸控制系統(tǒng)，并重點描述了雙電機消隙控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，詳細介紹了CANopen的傳輸時序設(shè)計過程。該系統(tǒng)利用通用伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)方法簡單，工程實用性強。試驗結(jié)果表明：采用具備CANopen協(xié)議的通用伺服驅(qū)動器實現(xiàn)的雙電機同軸驅(qū)動控制，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，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)議的雙電機同軸控制系統(tǒng)也可以用于多電機的同軸驅(qū)動控制，由于多電機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增大，實時性能受到影響，因此，如何將基于通用現(xiàn)場總線技術(shù)應用到多電機同軸控制且提高通信實時性是目前多電機同軸控制的研究方向之一。

[1]趙剛, 劉德. 全盾構(gòu)機刀盤多電機同步驅(qū)動研究[J].廣東造船, 2012,(6): 73-77.

ZHAO Gang, LIU Dequan. Synchronously research of the shield machine cutter drive[J]. Guangdong Shipbuilding, 2012(6): 73-77.

[2]馮莉萍. 深井鉆機絞車多電機主從同步控制設(shè)計[J].機械研究與應用. 2015, 28(5): 181-183.

FENG Liping. Design for master-slave synchronous control of multi-motor in drawworks of deep well drilling rig[J]. Mechanical Research & Application, 2015, 28(5):181-183012,(6):73-77.

[3]王錄，張維寧, 陳小燕. 精密測量雷達伺服系統(tǒng)消隙方法應用研究[J]. 現(xiàn)代雷達, 2010, 32(8): 62-65.

WANG Lu，ZHANG Weining, CHEN Xiaoyan. A study on the application of gear anti-backlash′s method of precision measure radar servo system[J]. Modern Radar, 2010, 32(8): 62-65.

[4]黃建國. 基于AMESim的雙電機消隙伺服系統(tǒng)的仿真分析[J]. 現(xiàn)代雷達, 2013, 35(9): 73-76.

HUANG Jianguo. Simulation analysis of dual-motor anti-backlash servo system based on AMESim[J]. Modern Radar, 2013, 35(9): 73-76.

[5]袁苗, 龔時華, 許先雨. 面向重型機床回轉(zhuǎn)工作臺的雙電機消隙技術(shù)[J]. 電氣傳動, 2016, 46(3): 77-80.

YUAN Miao, GONG Shihua, XU Xianyu. Dual-motor servo systems with backlash for heavy machine rotary table[J]. Electric Drive, 2016, 46(3): 77-80.

[6]常軍, 王宏, 王正軍. 龍門鉆床回轉(zhuǎn)工作臺齒隙非線性的動力學分析[J]. 機械與電子, 2011(7): 27-30.

CHANG Jun, WANG Hong, WANG Zhengjun. Analysis on dynam of gantry drilling machine rotary table backlash nonlinearity[J]. Machinery & Electronics, 2011(7): 27-30.

[7]劉攀玲, 張光輝, 劉妙, 等. 基于偏置力矩的雙電機消隙智能PID控制[J]. 火炮發(fā)射與控制學報, 2015, 36(2): 50-53.

LIU Panling，ZHANG Guanghui，LIU Miao，et al. Intelligent PID control of double motor anti-backlash based on bias torque[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2015, 36(2): 50-53.

[8]羅亞琴, 孫建忠, 劉然. 基于轉(zhuǎn)矩跟隨主從控制策略的多電機同步控制[J]. 電機技術(shù), 2011(6): 8-11.

LUO Yaqin, SUN Jianzhong, LIU Ran. Synchronization control in multi-motor system based on the torque following master and slave control strategy[J]. Electrical Machinery Technology, 2011(6): 8-11.

[9]ZHAO Wei, REN Xuemei. Neural network-based sliding mode control for dual-motor servo systems[C]// 3rd IFAC International Conference on Intelligent Controland Automation Science.[S.l.]: IEEE Press, 2013: 382-386.

萬其男，1970年生，研究員級高級工程師。研究方向為伺服控制技術(shù)。

劉洋男，1993年生，本科。研究方向為自動控制。

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

南京工程學院科研基金項目(YKJ201319)

萬其Email：qiwanchen@163.com

2016-04-26

2016-06-27

TM341

A

1004-7859(2016)09-0071-04