多轴伺服驱动数控系统的CAN总线控制

多轴伺服驱动数控系统，是一种完成复杂型体加工的数控设备伺服系统，采用的多轴协调方式是自动化程度最高、最为复杂的，具有非常丰富的动力学特征。它对各驱动轴轴之间的相互协调，提出了很高的要求。

　　数控设备的运动控制系统，是数控设备的心脏，决定数控设备性能的优劣。传统的数控设备控制系统，多采用集中控制方案，通常由一台计算机通过多块A／D，D／A板与下层的伺服驱动器和传感器连接通信。这样的控制系统模块繁多，模块之问的连接复杂，依赖性强，降低了系统的开放性和可靠性，增加了功耗，难以完成十多个以致数十个轴的同步协调运动控制。

　　上世纪90年代以来，数字式伺服驱动器和现场总线技术的引入，为数控设备运动控制系统结构带来了重大的变革，产生了利用数字通信的开放的分布式控制结构。当前，国外许多的多轴伺服系统的控制系统，都采用了分布式控制结构，它代表了数控设备控制系统发展的方向。

　　日本本田公司于1996年展示了一个仿人形的两足行走机器人P2，1997年又推出了两足行走机器人P3田。P2机器人的运动控制系统，采用的是集中式结构；而P3机器人采用的是分布式结构，使数控设备的体积和重量都大大减小了。P2机器人的计算机控制板与每个驱动轴驱动电机相连，需要650根连线，非常庞大；P3机器人数控设备的计算机放在相应的腿和臂上控制驱动轴运动，这些计算机像局域网一样采用内部总线连接，连线的数量减少到了30根。由于连线和体积的减少，P3机器人的能耗只相当于P2的1／3，连接器和接触器的数量也从2000多个减少到500个，大大提高了机器人的可靠性。由此实例可以看出，基于总线技术的分布式结构比传统集的中式结构，更适用于数控设备的多轴运动控制系统。

　　现场总线技术(CAN)，是上世纪90年代以来兴起的一种先进工业控制技术口)，它是一种全数字式、全开放、全分散式、可互操作的开放式互联网络的新一代控制系统，是通信技术、计算机技术和控制技术的综合和集成，目前已成为世界上自动化技术的热点之一。

　　CAN总线技术，解决了多节点通信的总线冲突问题，同时它所具有的完善的功能是RS485等串行总线无法比拟的。

　　CAN自诞生以来，以其独特的设计思想、良好的功能特点和极高的可靠性，已经在许多行业获得了广泛的应用。

　　多轴伺服驱动数控系统，采用的多轴协调方式自动化程度最高，控制难度最大嘲，具有非常丰富的动力学特征。该系统对各驱动轴之间的相互协调，提出了很高的要求，主要是和各轴的伺服驱动器之间进行数据通信，涉及到了复杂的多轴同步协调运动控制删。因此，对通信速率、确定性和实时性，都提出了很高的要求。同时还希望体积和功耗都尽量小，总线与上层计算机和下层驱动器的接口，最好是有现成的统一的标准，以方便设备的选用和连接。

1 CAN总线控制系统的结构

　　CAN是控制器局域网(Controller Area Network)的简称圈，是由德国的Bosch公司及数个半导体生产商开发出来的，从最初应用于汽车的检测和控制，到后来逐步发展到其他工业部门。CAN总线，是目前已经被批准为国际标准的现场总线之一。CAN总线协议，遵守ISO／OSI模型，采用了其中的物理层、链路层和应用层3层结构。通信速率最高可达1Mbps(40 m)，连接的节点数可达110个，传输介质可以是双绞线、光纤等。CAN总线有以下主要特点：

　　(1)信号传输采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低；

　　(2)每一帧信息都有CRC检验等措施，保证了数据出错率低；

　　(3)可以采用点对点、一对多点以及全局广播等几种方式发送和接收数据，可实现全分布式多机系统，且无主从之分；

　　(4)采用非破坏的基于优先权的总线仲裁技术，由多主站依据优先权进行总线访问；

　　(5)在发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送；

　　(6)可以判别暂时错误和永久性故障节点，并可故障节点自动脱离网络。

　　系统由两个S3C44BOX和两条CAN总线网络构成，分别控制多轴伺服驱动轴，两台S3C4480X之间通过以太网卡进行通信。对下层的每一个伺服节点(自由度)要设计一块与CAN总线的接口电路板，来完成对该轴的角度和角度速度的闭环控制。该接口电路板带有CAN总线通信控制器(PHILIPS82C200、SJAl000或INTEL82527等)、CAN控制器接口82C250、80C196KC单片和DA芯片等。

　　使用CAN总线的数控设备控制系统，采用模块化的硬件组合，在硬件发生改变的情况下，仅仅改动与它相连的总线配置即可，现场总线可连接的设备类型和设备数目也相对较多。多轴伺服驱动数控系统，是一种完成复杂型体加工的数控设备伺服系统，它采用的多轴协调方式自动化程度最高，最为复杂，具有非常丰富的动力学特征。它对各驱动轴之间的相互协调提出了很高的要求。

2 系统通信的计算

　　对于多轴伺服驱动数控系统的运动控制系统来说，主要是和各轴的伺服驱动器之间进行数据通信，传输距离不大，但涉及到了复杂的多轴同步协调运动控制，因此对通信速率、确定性和实时性都提出了很高的要求。同时还希望体积和功耗都尽量小，总线与上层计算机和下层驱动器的接口，最好是有现成的统一的标准，以方便设备的选用和连接。前述CAN总线的特点，正好可以满足要求，而且CAN总线的基本线路成熟，其下层的相关元器件和开发系统在市场上均容易找到，价格也能够接受，这将会节省大量的硬件开发时间和经费。在综合技术的先进性和实用性两方面的考虑之后，我们选择了CAN总线。

　　多轴伺服驱动数控系统下肢共15个自由度：其中腰部3个，髋驱动轴3个，膝驱动轴1个，踝驱动轴2个，采用国际上先进的基于现场总线和数字式伺服驱动器的分布式系统结构。在结构方案中，上位计算机选用两台嵌入式S3C44BOX(S3C4480X是嵌入式Pc的机械电器标准，它采用堆叠式模块化结构，将各S3C44BOX功能块叠在一起)，来完成数控设备运动的步态轨迹规划、补偿校正和各驱动轴的动作协调。系统由两个S3C44BOX和两条CAN总线网络构成，分别控制多轴伺服驱动轴，两台S3C4480X之间，通过以太网卡进行通信。对下层的每一个伺服节点(自由度)要设计一块与CAN总线的接口电路板，完成对轴的角度和角度速度的闭环控制。接口电路板带有CAN总线通信控制器(PHIuPs82c200、SJAl000或INTEI．,82527等)、CAN控制器接口82C250、80C196KC单片和DA芯片等。该方案的整体结构如图1所示。

　　通信的数据量估计：主控制器每次向每个控制接点发送3个数据(包括转角、角速度、角加速度或转矩)，每个控制节点向主控制器回送2个数据(包括转角、角速度)，每次收发共5个数据，每个数据占2个字节(Bytes)，总共需要lO个字节。考虑到CAN总线的数据帧结构和帧间空间，保守的估计，每次发放的实际数据量是理论传输数据量的3倍；下肢CAN总线有15个控制节点，每隔20rim主控制器S3C44BOX与总线连接的各个节点要完成一次数据通信，50次／s，由上可以估算出数据传输的速度：

　　50X153 X5X2Bytea8Bits=180 kbps．

　　而CAN总线的最大数据传输速率可达1 M bps。完全能够满足实现多轴协调运动所需的数据传输要求。上位机与下层节点的通信采用中断方式：上位机在每个控制周围(20ms)的开始时刻，依次对下层的各个伺服节点进行数据发收交换；下层节点接在收到上层指令数据之后，发送采样所得的返回数据给上位机，并由上层广播发布的同步指令指挥同步执行。

3 结束语

　　(1)采用CAN总线不但大大减小了体积，节省了空间，而且和上位机S3C44BOX的连接也可采用S3c44Box的标准CAN控制卡模块，从而提高了系统的集成度和可靠性。从长远来看，随着计算机网络和电机驱动器技术的进一步发展，数控设备运动控制系统结构将会有更大的改进，其可靠性、开放性和集成度将大大提高。

　　(2)在硬件发生改变的情况下，仅仅改动与它相连的总线配置即可，增加或减少数控设备的自由度也非常方便，从而大大减少了系统硬件改动所需的时间。现场总线可连接的设备类型和设备数目也相对较多。

　　(3)在伺服驱动器进行位置环控制的同时，上层计算机还可以通过总线获得驱动轴角度反馈信息。上位机既能对下层驱动轴角伺服回路进行开环协调控制，又能进行位置补偿，实现闭环控制。