李 唐，陳 年，史曉勇,沙旭南

(中船重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司,揚(yáng)州 225000)

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基于CAN總線的搖桿轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 唐，陳 年，史曉勇,沙旭南

(中船重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司,揚(yáng)州 225000)

針對(duì)搖桿轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和控制性能要求，設(shè)計(jì)出了基于控制器局域網(wǎng)(CAN)總線的多軸伺服控制系統(tǒng)，描述了該系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu)和工作原理。搖桿轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)為包括大俯仰、大方位、小俯仰和小方位在內(nèi)的四軸運(yùn)動(dòng)，該多軸伺服控制系統(tǒng)控制方式選用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)控制板作為主站，施耐德伺服驅(qū)動(dòng)器作為從站，威綸通顯示屏作為人機(jī)界面，通過FPGA控制板訪問伺服控制器的對(duì)象字典，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制，獲取總線上各節(jié)點(diǎn)控制器狀態(tài)，并將系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)時(shí)時(shí)傳送給顯示屏。結(jié)合大方位軸在點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)行模式的實(shí)例，闡明了這一系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠滿足多軸伺服系統(tǒng)的控制要求。

CAN總線；多軸伺服；現(xiàn)場可編程門陣列；對(duì)象字典

0 引 言

控制器局域網(wǎng)(CAN)總線由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì),具有較強(qiáng)的抗干擾能力,適合用于實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)[1]。伺服系統(tǒng)是搖桿轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中的重要組成部分,它的特性對(duì)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)前端部的天線的整體性能起關(guān)鍵作用，應(yīng)用CAN總線技術(shù)可以很好地解決控制系統(tǒng)中對(duì)多站點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換、通訊干擾等諸多問題,有利于提高負(fù)載天線跟蹤系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)系統(tǒng)可以方便地增減節(jié)點(diǎn)，具有擴(kuò)展性。

該搖桿轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)分為基座轉(zhuǎn)臺(tái)和天線轉(zhuǎn)臺(tái)兩部分?；D(zhuǎn)臺(tái)包括大方位軸和大俯仰軸；天線轉(zhuǎn)臺(tái)包括小方位軸和小俯仰軸。基座轉(zhuǎn)臺(tái)在桁架尾端，天線轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)在桁架最前端，天線安裝在小俯仰軸平臺(tái)上。該搖桿轉(zhuǎn)臺(tái)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 搖桿轉(zhuǎn)臺(tái)外形結(jié)構(gòu)

基座轉(zhuǎn)臺(tái)和天線轉(zhuǎn)臺(tái)方位旋轉(zhuǎn)角度要求均為-180°～+180°，俯仰旋轉(zhuǎn)角度要求均為0°～+80°，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度均為10°/s以上。天線系統(tǒng)上位機(jī)下發(fā)指令周期為100 ms，角度變化不超過1°。如何建立該控制系統(tǒng)成為一個(gè)急需解決的課題。這里提出以CAN總線為總線形式，以CANopen協(xié)議為核心搭建多軸伺服控制系統(tǒng)，著重闡述搖桿轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)原理，并結(jié)合大方位軸在點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)行模式的實(shí)例，闡明這一系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法。

1 伺服系統(tǒng)總體組成

CAN總線可根據(jù)總線驅(qū)動(dòng)能力支持100個(gè)以上節(jié)點(diǎn)，具有接口簡單、傳輸速率高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合伺服系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)、高實(shí)時(shí)性的要求[2]。

因?yàn)檫b感轉(zhuǎn)臺(tái)有4個(gè)軸，數(shù)據(jù)交換速度快，符合多節(jié)點(diǎn)、高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)；所以考慮采用控制器與節(jié)點(diǎn)的控制方式，控制器與節(jié)點(diǎn)之間采用CAN總線進(jìn)行通信，接口協(xié)議為CANopen，采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)?？刂破鳛镕PGA控制板，控制板將接收的上位機(jī)角度命令，經(jīng)過處理后通過總線形式立即發(fā)送控制命令給各節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器，命令各軸電機(jī)

動(dòng)作相應(yīng)角度；同時(shí)控制板接收各驅(qū)動(dòng)器節(jié)點(diǎn)的相關(guān)狀態(tài)，將實(shí)際數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)和顯示屏。根據(jù)負(fù)載要求，4個(gè)軸選擇帶有CAN總線的施耐德BSH伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為匹配的LXM32A系列伺服驅(qū)動(dòng)器。

該伺服系統(tǒng)中，控制器與上位機(jī)之間接口為網(wǎng)絡(luò)接口，接口協(xié)議為自定義；控制器與顯示屏之間接口為串口，接口協(xié)議為自定義。伺服控制系統(tǒng)的總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(SDO)[3]屬于直接數(shù)據(jù)交換模式，它傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般為運(yùn)動(dòng)模式(位置、速度、找原點(diǎn)等)，根據(jù)各自系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，用戶可以靈活地設(shè)置運(yùn)動(dòng)模式。工作模式一旦設(shè)定了，一般是不會(huì)立即更改的，更改與否是根據(jù)客戶的需求來的，所以可以說通信并不是周期性的。SDO通過使用索引和子索引來訪問設(shè)備的對(duì)象字典(OD)。協(xié)議屬于確認(rèn)服務(wù)類型[4]。SDO通訊用于主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)對(duì)象字典的讀寫訪問，以實(shí)現(xiàn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)參數(shù)的設(shè)置。在電機(jī)使能、設(shè)置工作模式、設(shè)定模式速度時(shí)，分別訪問如表1所式的對(duì)象字典。

表1 對(duì)象字典

伺服控制板采用可編程片上系統(tǒng)(SOPC)技術(shù)，在1塊Cyclone II 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)中實(shí)現(xiàn)1個(gè)32位的可配置軟核——NIOS II核，控制板將通過CAN總線將控制命令傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。CAN控制器由內(nèi)嵌于NIOS II核中的串行模塊進(jìn)行控制。施耐德電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成電流環(huán)和速度環(huán)的控制，位置環(huán)的控制在FPGA中完成。控制程序原理框圖如圖3所示。

圖3 程序框圖

3 大方位點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)行示例

3.1 點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)行模式

點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)行模式也稱為特征曲線定位的運(yùn)行模式。這種模式僅可通過現(xiàn)場總線的方式來執(zhí)行。在設(shè)定目標(biāo)位置時(shí)有相對(duì)位置和絕對(duì)位置2種方式。2種方式均可以使用加速斜坡和減速斜坡以及最終速度參考值來設(shè)置運(yùn)動(dòng)曲線，在執(zhí)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)以上次目標(biāo)位置或者當(dāng)前電機(jī)位置為參考；執(zhí)行絕對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)閳?zhí)行的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是完全以零點(diǎn)為參考的，所有在首次執(zhí)行絕對(duì)定位之前，必須通過Homing模式來定義零點(diǎn)[5]，實(shí)際使用中，將轉(zhuǎn)臺(tái)先機(jī)械調(diào)零，然后記下當(dāng)前編碼器值，將該值定位零點(diǎn)[6-9]。

3.2 大方位運(yùn)行示例

大方位節(jié)點(diǎn)為1，波特率為1 Mbps，BSH系列伺服電機(jī)本身配有多圈絕對(duì)值編碼器，精度為25位，具有慣量低、精度高、電流環(huán)響應(yīng)快速的特點(diǎn)。大方位軸齒輪比為25∶104，減速器減速比為256。設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 rpm時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定速度為11°/s。在NIOS編程軟件中寫入指令代碼：

pid_int_en();

OSTimeDly(700);

mcpinit();//CAN初始化

goop0(1);//開始遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn);

drive_en();

CAN_MODE_SEL(1);//使用點(diǎn)到點(diǎn)特征曲線模式

ppn_target(2000);//設(shè)置位置特征曲線模式的速度

while (1)

{

dwjd_enc=(float)dwjd*RATIO+ZERO_OFF;

//轉(zhuǎn)換成電機(jī)編碼器的角度

ppp_targetusr(dwjd_enc);

pp_start(3);//啟動(dòng)定位

pp_start(2);

}

Somove是施耐德電機(jī)上位機(jī)調(diào)試軟件，具有實(shí)時(shí)顯示電機(jī)參數(shù)功能，故在scope中添加參數(shù)p_act(實(shí)際角度)、I_act(實(shí)際電流)和n_pact(實(shí)際轉(zhuǎn)速)，記錄BSH電機(jī)在點(diǎn)到點(diǎn)模式下的運(yùn)行曲線。從而判斷該伺服系統(tǒng)能否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。上位機(jī)下發(fā)指令通過1個(gè)帶串口的觸摸屏模擬。

3.3 伺服系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4(a)是下發(fā)角度與時(shí)間的曲線，目的是讓轉(zhuǎn)臺(tái)在0°與30°之間往返運(yùn)動(dòng)，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)為下發(fā)角度，單位為°。圖4(b)上面曲線為電機(jī)實(shí)際位置與時(shí)間的曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)表示電機(jī)運(yùn)行位置，單位為usr_p；中間曲線是電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與時(shí)間的曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，單位為1/min；下面曲線是電機(jī)實(shí)際電流與時(shí)間的曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)為電流，單位為Arms(平均電流單位),標(biāo)定的大方位零點(diǎn)位置編碼器值為24557988usr_p。

圖4 伺服系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

如圖4可見，該系統(tǒng)下，當(dāng)大方位下發(fā)角度周期為100 ms、每次角度變化為1°時(shí)，大方位實(shí)際可以跟上下發(fā)的角度指令，其他軸的運(yùn)動(dòng)方式與大方位一致。該系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠滿足搖桿系統(tǒng)的要求。人機(jī)界面如圖5所示。

圖5 人機(jī)界面

4 結(jié)束語

隨著機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，伺服控制精度、穩(wěn)定

性和實(shí)時(shí)性要求也是越來越高，基于CAN現(xiàn)場總線的伺服系統(tǒng)的應(yīng)用可以解決上述難題。本文通過對(duì)施耐德伺服系統(tǒng)、SOPC技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)整合方案，主要包括施耐德BSH伺服電機(jī)、FPGA伺服控制板、LXM32A驅(qū)動(dòng)器和威綸通人機(jī)界面的研究，給出了搖桿轉(zhuǎn)臺(tái)四軸伺服系統(tǒng)中利用CAN總線的方式實(shí)現(xiàn)控制功能，同時(shí)結(jié)合大方位軸在點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)行模式的實(shí)例，闡明了這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)方法。研究表明，該方案滿足實(shí)際控制要求，解決了4臺(tái)伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)的功能，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

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Design of Servo Control System for Rocker Turntable Based on CAN Bus

LI Tang,CHEN Nian,SHI Xiao-yong,SHA Xu-nan

(CSIC Hebowi (Jiangsu) Technology Development Co. Ltd.,Yangzhou 225000,China)

According to the structure and control performance requirements of the rocker turntable,this paper designs a multi-axis servo control system based on controller area network (CAN) bus,and describes the overall structure and working principle of the system.This system does four axis motion including a large pitch,a large azimuth,a small pitch and a small azimuth.The multi-axis servo control system uses field programmable gate array (FPGA) control board as the main station,Schneider AC servo driver as slave station,Weinview touch screen as the man-machine interface,accesses the object dictionary of the servo controller through the FPGA control panel,so as to achieve the control of the drive,fetches the status of bus node controller,and transmits the status of each node in the system to the display.Combining with examples of large azimuth axis in point-to-point running mode,this paper expounds the concrete realization method of the system.The results show that the system works well and can meet the control requirements of multi-axis servo system.

controller area network bus;multi-axis servo;field programmable gate array;object dictionary

2016-06-06

TN820.3

B

CN32-1413(2016)04-0117-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.026