基于CAN總線的伺服電機通訊控制
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CAN(Controller Area Network)總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊局域網(wǎng)絡(luò)，由于其高性能、高可靠性、實時性好及其獨特的設(shè)計，已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通訊，在工控領(lǐng)域興起應(yīng)用高潮。
而伺服電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制輕易、運行穩(wěn)定、響應(yīng)快等優(yōu)異特性，已越來越成為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)自動化系統(tǒng)中的一個重要執(zhí)行元件。在自動化程度高、需精確控制速度、位置、力矩等的場合，如印刷機械、造紙機械、紡織機械、產(chǎn)業(yè)機器人、高速電梯、數(shù)控機床等重要行業(yè)中，得到了普遍的應(yīng)用。
德國倫茨公司生產(chǎn)的伺服電機由于提供了CAN總線接口，使其很輕易掛接到CAN總線上，通過CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸與控制，拓展了伺服電機的功能與應(yīng)用范圍,使伺服電性能更好更靈活地應(yīng)用于現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)中。
2 CAN總線的特性
作為專門應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)，CAN總線具有以下優(yōu)點：
(1)使用簡單方便。很多CAN控制器芯片如SJA1000T、Philips 82C250等實現(xiàn)了CAN物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的大部分，在使用時用戶需要做的只是兩件事：對CAN控制器進行初始化，對CAN總線上的數(shù)據(jù)進行收發(fā)操縱。
(2)高效可靠。CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字段長度最多為8B，所以傳輸?shù)乃俣瓤欤ㄗ畲笸ㄓ嵥俾士蛇_1Mbps），受干擾的概率低。同時，CAN總線作為多主節(jié)點，各節(jié)點通過總線仲裁獲得總線控制權(quán)，并擁有完善的錯誤處理機制，保證了各種干擾環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽俊?br />
(3)系統(tǒng)可擴充性好。CAN總線是面向消息的編碼，而不是面向設(shè)備的編碼，故增添或刪減CAN上的節(jié)點非常方便和靈活，易于系統(tǒng)的擴充。
3 伺服電機接進CAN網(wǎng)
倫茨伺服電機的伺服控制器由于提供了專門的CAN總線接口X4，可以象其他的CAN節(jié)點一樣，用普通雙絞線作為通訊介質(zhì)，很方便地連接到基于CAN總線的產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)上，如圖1所示。
上位主機通過接插支持CAN的通訊適配卡獲得對CAN總線的支持，負責對整個系統(tǒng)的運行和工作狀態(tài)進行監(jiān)視治理。由于CAN總線在產(chǎn)業(yè)控制上的應(yīng)用越來越廣泛，很多公司都推出了支持CAN總線的接口適配卡，如研華的PCL-841通訊卡、北京華控的HK-CAN20通訊卡、北京三興達公司的智能CAN-PC總線適配卡PCCAN等等，用戶可以通過這些接口適配卡，來運行復(fù)雜的通訊任務(wù)，進行各CAN節(jié)點與上位主機之間的數(shù)字通訊和協(xié)調(diào)治理。
4伺服控制器的功能模塊與基于CAN總線的數(shù)據(jù)通道
倫茨伺服電機的伺服控制器，具有豐富的內(nèi)部功能模塊庫，如常見的邏輯功能模塊、算術(shù)功能模塊、信號類型轉(zhuǎn)換模塊、斜坡函數(shù)發(fā)生模塊、相位積分模塊以及較特殊的數(shù)頻輸進輸出模塊、數(shù)頻處理模塊、伺服控制處理模塊、速度設(shè)定處理模塊等等。用戶利用這些功能塊，可以自由配置控制器的信號流程，使控制器能很輕易地適應(yīng)不同的實際應(yīng)用。
為了實現(xiàn)基于CAN總線的應(yīng)用，伺服控制器提供了專門的CAN總線功能模塊組CAN-IN與CAN-OUT，作為過程數(shù)據(jù)通道，進行過程數(shù)據(jù)的傳輸。其中，功能塊CAN-IN1與CAN-OUT1只用于伺服控制器與上位主機之間進行通訊與數(shù)據(jù)傳輸。輸進功能塊CAN-IN1用于接收上位主機的數(shù)據(jù)信息，CAN-IN1有8B的數(shù)據(jù)空間可供用戶使用配置，可以向其他內(nèi)部功能模塊提供二進制信號、16位的模擬信號、16位的速度信號以及32位的相位信號等多種控制信號。上位主機通過向根據(jù)實際應(yīng)用配置的CAN-IN1模塊發(fā)送命令信息，能實現(xiàn)伺服電機的速度給定、電機快停、電機的正反轉(zhuǎn)切換、電機正常模式轉(zhuǎn)速與恒定低速的切換、電機使能、電機禁止等各種功能。同樣，CAN-OUT1功能模塊亦有8B的數(shù)據(jù)空間可供用戶使用，可以通過配置向上位主機實時地提供電機的各種狀態(tài)信息、電機的實際速度、電機的實際相位等信息。
功能塊CAN-IN2、CAN-IN3與CAN-OUT2、CAN-OUT3用于伺服控制器之間進行快速數(shù)據(jù)交換。只要配置了某一伺服控制器的CAN-OUT2或CAN-OUT3與另一伺服控制器的CAN-IN2或CAN－IN3的對應(yīng)關(guān)系，即可建立起伺服控制器間的數(shù)據(jù)傳輸通道，在電機運行過程中將1臺伺服控制器的各種數(shù)據(jù)信息傳給另1臺伺服控制器，常見的如：將1臺伺服控制器的速度給定經(jīng)一定運算處理后作為另1臺伺服控制器的速度給定信號，使2臺伺服電機速度比例運行。該特性對于多臺伺服電機之間的協(xié)調(diào)控制具有重要意義。上位主機亦可以監(jiān)測到在CAN總線上傳輸?shù)脑擃悢?shù)據(jù)信息。
同時，伺服控制器還提供2路參數(shù)輸進通道和2路參數(shù)輸出通道。在CAN總線上，上位主機可通過2路參數(shù)輸進通道，對伺服控制器內(nèi)的各種參數(shù)進行設(shè)置修改，如伺服電機的加減速時間、齒輪箱變速比、級聯(lián)系數(shù)等等；通過2路參數(shù)輸出通道讀取伺服控制器的各種參數(shù)，如伺服電機確當前溫度、當前配置的加減速時間以及電機的實際電壓電流等等，故只要是能在伺服控制器的參數(shù)代碼表中找得到的參數(shù)，基本上都能夠讀取。
通過CAN總線接口與各個數(shù)據(jù)通道，伺服電機可將自己的相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到CAN總線上；同時亦可以接收來自總線的伺服電機所需的各種數(shù)據(jù)信息與控制命令。
5 CAN的通訊協(xié)議
作為實時性要求比較高的產(chǎn)業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)，CAN協(xié)議只分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈進層和應(yīng)用層。CAN通訊協(xié)議有4種不同的幀格式：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀。
由于CAN通訊協(xié)議給出的只是共性要求，在實際應(yīng)用中需要將協(xié)議具體化，建立適用的協(xié)議規(guī)則。根據(jù)伺服電機伺服控制器的特點，并遵循CAN通訊協(xié)議標準，制定了伺服控制器的通訊協(xié)議規(guī)則。伺服控制器的每個信息幀分為2部分：幀頭和數(shù)據(jù)域。幀頭占2B，其前11位為標識符，然后是一位RTR位，最后是4位的數(shù)據(jù)長度位DLC（即所發(fā)數(shù)據(jù)的實際長度，以字節(jié)為單位）。數(shù)據(jù)域占用8B。11位的信息標識符反應(yīng)了節(jié)點的優(yōu)先級別，總線仲裁就是通過它來實現(xiàn)的，信息幀的標識符越小，信息幀就具有越高的優(yōu)先權(quán)。除總線狀態(tài)等特殊信息外，伺服控制器對所傳輸信息的標識符有一定的計算公式：
信息標識符＝基準標識符＋設(shè)定的控制器的節(jié)點地址?
伺服控制器的節(jié)點地址可以在參數(shù)代碼表中設(shè)定。而對信息的基準標識符，伺服控制器有同一的規(guī)定，如：同步觸發(fā)信號的基準標識符為128，來自控制器CAN-OUT1通道的信息的基準標識符為384，而發(fā)送到控制器CAN-IN1通道的信息的基準標識符為512，通過參數(shù)通道1發(fā)送到控制器的信息基準標識符為1536，通過參數(shù)通道1接收的信息基準標識符則為1408。
對于8B的數(shù)據(jù)域，用戶需要按照所要發(fā)送的具體信息來確定應(yīng)遵循的使用原則。比如，要通過參數(shù)通道進行參數(shù)設(shè)定，第1個字節(jié)為命令碼，第2、3字節(jié)為參數(shù)對應(yīng)的索引號，第4個字節(jié)為參數(shù)對應(yīng)的次索引，后4個字節(jié)是要設(shè)定的參數(shù)數(shù)據(jù)大??；而要發(fā)送信息到某伺服控制器的過程數(shù)據(jù)通道CAN-IN1，則直接是數(shù)據(jù)信息的發(fā)送，沒有命令碼，也沒有索引號。
6 上位主機的軟件設(shè)計
通過CAN總線進行通訊與控制的伺服電機，在針對實際的應(yīng)用要求配置好伺服控制器的內(nèi)部控制信號流，以及基于CAN的接口功能模塊和數(shù)據(jù)通道后，剩下需要解決的是上位主機的軟件設(shè)計題目。
由于上位主機所接插的CAN通訊適配卡一般都提供CAN的驅(qū)動函數(shù)，所以在上位機軟件的編制過程中，實現(xiàn)與CAN總線的通訊部分可以直接調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，如上位主機與CAN通訊的主要任務(wù)：對CAN適配卡的初始化、CAN信息包的發(fā)送、CAN信息包的接收等，都有現(xiàn)成的函數(shù)可以使用，為用戶使用CAN進行通訊提供了方便。對CAN通訊適配卡的初始化主要是初始化適配卡的各個寄存器，設(shè)置中斷向量、通訊卡的波特率以及中斷屏蔽字等必要的參數(shù)，為正常通訊作預(yù)備。實現(xiàn)CAN信息包的發(fā)送，首先要確定信息包的11位信息標識符，填進幀頭，并在數(shù)據(jù)域中填進需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，通過發(fā)送函數(shù)發(fā)送給所有CAN節(jié)點或特定的CAN節(jié)點上。而對于使用接收函數(shù)所接收的CAN信息包，亦通過其11位信息標識符，判定其來源，對數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)進行處理，取得有效的信息，進行顯示或存儲，并按照控制需要發(fā)送控制指令。其軟件控制流程圖，如圖2所示。
7 結(jié)束語
倫茨伺服電機CAN接口的引進，進步了伺服電機的自動化水平，使伺服電機在產(chǎn)業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的通訊與控制更為方便、靈活和可靠。
CAN總線在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)中越來越廣泛的應(yīng)用，為帶CAN接口的伺服電機提供了廣闊的應(yīng)用遠景。
參考文獻
[1]鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.
[2]Lenze.Operating Instruction(Global Drive Mannuls 9300).(end)
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