CAN总线技术在数字伺服系统中的应用

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关键词:数字 伺服驱动 DSP电机控制

    1 前言

      多伺服系统在实际生产过程中的应用相当少-泛,如配料、传动等生产过程,需要多台伺服电机驱动,伺服电机的控制性能和多台电机间协调控制的好坏直接影响着生产过程的质量。如何方便管理、控制多伺服电机系统是生产领域}r待解决的问题,因此提出了基十CAN总线技术的数字交流伺服系统。

      现场总线技术解决了传统总线插板I/0模块多,干扰严重、系统软件编写复杂、系统硬件兼容性差等问题。减轻现场信号连接的繁琐与费用,提高了信号传输的精度与灵活性,给安装、调试和维护带来方便,为现场用户带来巨大的经济效益,代表着自动化领域发展的一个重要方向。

      数字伺服系统实现位置、速度、力矩(电流)三环控制,如图1所不。控制器参数,如位置、速度、力矩等运行参数设置与功能设置通过串行接口传送到伺服系统。数控系统上位机计算出每个插补周期的位移量,通过串行总线传送到相应的伺服单儿,即可完成位置控制和速度控制。位置、速度、力矩等反馈信息也可通过串行口送回主计算机,用十显不坐标轴位置、跟随误差等,这是一种分布式运动控制系统。

      数字伺服与数控系统之间传输的数据可以分为实时性数据信息和非实时性数据信息两类。实时性数据指参与实时位置、速度、转矩控制的指令和实际反馈信息,这类数据的传输速度要求较高。而非实时性数据主要是参数设置、功能设定、诊断功能、伺服状态与报警等,对传输速度的要求相对较低一些。

      RS-232(422,485)串行通讯应用广泛,但其通讯速度较低。因此,各种土业现场总线技术引起了人们的关注,主要有CAN, SERCOS, ProfiBus, Lon-Works, InterBus等。

      本文讨论CAN总线用十数字伺服与数控系统的接口连接,介绍了系统的组成结构、土作原理和软件、硬件设计。

    2 CAN总线技术简介

      2.1 CAN总线的特点

      CAN属十现场总线(Field Bus)的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线中各节点都有权利向其它节点发送信息。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤,主要特点有:

      (1)CAN总线上任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息,而不分主、从,通讯灵活;

      (2)CAN总线上的节点可分成不同的优先级,以满足不同的实时一要求:

      (3)CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术,当两个节点同时向网络上传送信息时,优先级低的节点主动停止数据发送,而优先级高的节点可不受影响地继续传送数据;

      (4)CAN总线具有点对点,一点对多点(成组)及全局少一播传送数据的功能;

      (5)CAN总线通讯距离最远可达10 km,通讯速率最高可达1 Mbps(距离小于40 m) ;

      (6) CAN总线上的节点数可达110个;

      (7) CAN总线上每一帧的有效字节数为8个,这样传输时间短,抗干扰能力强;

      (8) CAN总线每帧信息都有CRC校验及其它校验措施,数据出错率低,可靠性高;

      (9) CAN总线节点在故障的情况下,可自动切断它与总线的联系,以使总线上的其它操作不受影响。

      目前国内市场上已有相应的CAN总线通讯接口片,该片完成ISO/OSI参考模型中的物理层和数据链路层两层功能,如数据打包、拆包、发送、接收、校验、编码、解码等,用户只需开发应用层和用户层相应软件即可。

      2.2 DSP CAN控制器

      TM 5320 F2407是TI公司新一代16位定点DSP芯片,用十数字电机控制和嵌入式控制器。片内CAN模块是一个完全的CAN控制器,其结构框图如图2所示。CAN模块是一个16位外设,有控制/状态寄存器的访问和邮箱的RAM访问两种方式。

      (1)全面兼容CAN 2. 0B协议,具有标准和扩展标识符日_有数据帧和远程帧;

      (2)对象有6个邮箱(MBOXO一5),其长度为0~8个字节。它们是48 x 16位的RAM区,CPU或CAN可按16位读或写。每个邮箱为8x16位的RAM,由“箱0,1只用作接收,邮箱4,5只用作发送,而邮箱2,3可用作接收或发送;

      (3)对邮箱0,1和2,3有局域接收屏蔽寄存器;

      (4)可编程的位定时器;

      (5)中断配置可编程;

      (6)可编程的CAN总线唤醒功能;

      (7)自动恢复远程请求;

      (8)当发送出错或仲裁丢失数据时,CAN控制器有自动重发功能;

      (9)总线错误诊断功能;

      (10)自诊断功能。

    3 数字伺服系统网络硬件与软件设计

      3.1 DSP CAN接口电路设计

      使用CAN总线技术将伺服驱动和主控系统连成现场控制网络。主控系统上位机采用研华公司PCL-841片实现CAN总线通讯,伺服驱动系统采用TMS320 F2407片内CAN控制器。

      TMS320 F2407 DSP芯片的CAN总线控制器与CAN物理总线的接口采用82 C250驱动器芯片。8X250采用阻抗为120 SZ双绞线作通讯介质,信号采用差动接收和发送,抗干扰能力强,最高通信速率可达1 Mbps。通过对8X250引脚8(RS)的不同连接,可以实现三种不同的土作方式:高速、斜率控制和待机。本系统采用斜率控制,以降低射频干扰。为了增加抗干扰能力,保护CAN控制器,在TMS320F2407与8X250之间加高速光电隔离器,光电隔离器采用HP公司HCPL-2630芯片,速度为lOMHz,电路如图3所示。

      3.2 CAN控制器软件设计

      对十CAN网的实现,智能终端(即CAN节点)软件设计主要包括两大部分,即通信网络的应用层协议和节点实现功能的流程和编码。

      3.2.1 邮箱初始化配置

      初始化包括对管脚的配置、波特率的设定、邮箱的收发配置等。首先,配置MCRB寄存器,将IOPC6和IOPC7引脚配置成特殊功能,即CANRX和CANTX;其次,配置MDER寄存器,即配置邮箱的使能和邮箱2一3的功能;最后,对屏蔽ID寄存器进行配置,可以屏蔽任意位的ID。这种寄存器只对接收邮箱起作用。

      3.2.2波特率设定

      波特率设定主要和3个寄存器有关:SCSR1(系统控制和状态寄存器1) , BCR1(位配置寄存器)和BCR2(位配置寄存器2)。在配置之前,明确要实现的波特率和品振频率。要注意的是在对位定时器进行配置时,CAN控制器必须处十复位模式下,即CCR=1。

      3.2.3 由}S箱的收发配置

      在进行数据域改变之前,首先要禁用邮箱,然后置位数据域,改变请求。再设置邮箱ID和信息控制寄存器。若是发送邮箱,则在数据域存放预发送数据;若是接收邮箱,则清空接收缓存。

      邮箱中断设置CAN模块令属中断寄存器有CAN_IFR和CAN_ IMR,使用方法与一般的中断寄存器相同。但TMS320 LF2407 A采用了二级中断方式,高优先级模式的CAN邮箱中断对应INT1,高优先级CAN错误中断对应INT2;而低优先级的CAN由“箱中断和CAN错误中断都对应INTS。所以在程序中也要开放对应的一级中断。接收帧ID的读入在接收事件中,通常一个邮箱要接收多节点帧。因此,信息帧ID的读出也很重要。不管有没有屏蔽,接收了的信息帧的ID会被置入MSGIDnH和MS-GIDnL。但事实上,该接收邮箱的ID并没有改变。

      实验程序使用邮箱2接收,邮箱3发送。通讯软件可以采用查询方式或中断方式,主要包括CAN控制器的初始化程序、接收邮箱与发送邮箱设置、发送程序、接收程序,程序框图。

      发送程序只需要设定发送控制寄存器的相应位即可实现发送。

      接收程序要完成:

      (1)读取已接收的邮箱标识符格式;

      (2)读取接收的标识符;

      (3)读取接收的数据长度;

      (4)读取接收的数据值。

      3.2.4 监控主机的软件

      用一台土控机作为监控机,通过适配片与CAN连接。在监控机上用VC 6.0编写监控的操作软件,并日_把监控机作为局域网上的一台操作服务器,用户通过它可以对各个模块进行操作。

    4 结语

      CAN总线具有功能特性好、可靠性高、抗干扰能力强日_经济实用,是一种很有前途的现场总线。它的应用将为分布式运动控制提供一种新的解决方案,会受到人们越来越多的重视。新一代的智能数字伺服系统通过CAN总线与开放式数控系统互连,是运动控制领域发展的一个重要方向。

    (审核编辑: 智汇张瑜)