基于CAN總線的分布式伺服系統(tǒng)

前言

伺服系統(tǒng)(servo system)亦稱隨動系統(tǒng)，屬于自動控制系統(tǒng)中的一種，它用來控制被控對象的轉(zhuǎn)角(或位移)，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復(fù)規(guī)輸入指令的變化規(guī)律。它通常是具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有的場合也可以用開環(huán)控制來實現(xiàn)其功能。在實際應(yīng)用中一般以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機(jī)要求具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動慣量較大等特點，這類專用的電機(jī)稱為伺服電機(jī)。基于CAN總線的分布式伺服系統(tǒng)多電機(jī)伺服控制廣泛應(yīng)用于各種電力傳動自動控制系統(tǒng)中，如配料、傳動等生產(chǎn)過程。伺服系統(tǒng)中電機(jī)控制性能和多電機(jī)間協(xié)調(diào)控制的好壞直接影響生產(chǎn)過程的質(zhì)量，如何高效管理、方便應(yīng)用、實時控制是多電機(jī)伺服系統(tǒng)生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的首要問題。CAN總線技術(shù)解決了傳統(tǒng)總線插板I/O模塊多，干擾嚴(yán)重、系統(tǒng)軟件編寫復(fù)雜、系統(tǒng)硬件兼容性差等問題。大大減輕了現(xiàn)場信號連接的繁瑣與費(fèi)用，提高了信號傳輸?shù)木扰c靈活性，給安裝、調(diào)試和維護(hù)帶來諸多方便，為現(xiàn)場用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，代表著自動化領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向。

一、CAN總線分布式伺服系統(tǒng)簡介

隨著工業(yè)現(xiàn)場控制和自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的通信模式已不能滿足現(xiàn)代工程需要。CAN(ControllerAreaNetwork)總線是80年代初德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制與測試儀器間數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是一種性能先進(jìn)、價格低廉、保密性好的現(xiàn)場總線(FieldBus)技術(shù)，能夠有效支持分布式控制或?qū)崟r控制串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線中各節(jié)點都有權(quán)利向其它節(jié)點發(fā)送信息。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，主要技術(shù)特點有:是一種多主總線:網(wǎng)絡(luò)上任一個節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，多主站依據(jù)優(yōu)先機(jī)制進(jìn)行總線訪問;非破壞性基于優(yōu)先權(quán)總線仲裁技術(shù):采用非破壞性基于優(yōu)先權(quán)總線仲裁技術(shù)結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省總線沖突仲裁時間，在重負(fù)荷下表現(xiàn)出良好性能;具有多種傳送數(shù)據(jù)功能:具有點對點，一點對多點(成組)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)功能;節(jié)點數(shù)目多:直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(傳輸速率為5kbps)，最高通訊速率可達(dá)1Mbps(傳輸距離為40m);可靠性高:數(shù)據(jù)鏈路層采用短幀結(jié)構(gòu)，實時性高，糾錯效果好，每幀信息都有CRC校驗及其它校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率低，可靠性高;故障自動判別:發(fā)送期間若丟失仲裁或因出錯而遭破壞的幀可自動重發(fā)，暫時錯誤和永久性故障節(jié)點判別及故障節(jié)點自動脫離CAN總線。CAN總線系統(tǒng)由CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點和上位機(jī)構(gòu)成。總線技術(shù)遵循現(xiàn)場總線協(xié)議，將分布在不同位置，用途各異的測量儀表、控制設(shè)備互聯(lián)成網(wǎng)，并可接入Intranet和Internet網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線技術(shù)的關(guān)鍵標(biāo)志是它能支持雙向多變量、總線式全數(shù)字通訊。傳統(tǒng)4～20mA模擬直流回路只能在一根兩芯電纜中單向傳輸一個參數(shù)，隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜和信息量的增加，4～20mA電流環(huán)傳輸成為制約信息傳輸?shù)钠款i，所以現(xiàn)場總線替代4～20mA模擬信號標(biāo)準(zhǔn)已成為控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

圖1CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于CAN總線技術(shù)的多電機(jī)伺服控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由上位機(jī)、CAN總線、現(xiàn)場伺服單元節(jié)點組成。數(shù)控系統(tǒng)上位機(jī)通過CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點任一伺服單元，數(shù)字伺服與數(shù)控系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸可分為實時性數(shù)據(jù)信息和非實時性數(shù)據(jù)信息兩類。實時性數(shù)據(jù)指參與控制器實時位置、速度、轉(zhuǎn)矩等控制指令和反饋信息，傳輸速度要求較高。非實時性數(shù)據(jù)主要是指控制器參數(shù)設(shè)置、功能設(shè)定、診斷功能、伺服狀態(tài)與報警等信息，傳輸速度相對較低。CAN接口適配器是上位機(jī)與伺服單元數(shù)據(jù)傳輸和控制的橋梁，伺服單元采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過總線傳給上位機(jī)，實現(xiàn)實時監(jiān)視和控制。

二、模塊介紹

I-87120是臺灣泓格生產(chǎn)的CAN系列產(chǎn)品之一，支持CAN2.0A/ CAN2.0B協(xié)議，具有1個CAN口，內(nèi)置80MHz CPU，具體規(guī)格如下：

I-87120不能單獨(dú)使用，需要搭配泓格生產(chǎn)的PAC來使用，針對不同的PAC泓格都提供有相應(yīng)的SDK，同時借助PAC強(qiáng)大處理能力很容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、傳輸及存儲功能，大大豐富分布式伺服系統(tǒng)的功能，可以完成復(fù)雜數(shù)據(jù)機(jī)床的設(shè)計要求。

四、結(jié)束語

CAN總線具有良好的網(wǎng)絡(luò)通信功能、高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實用，是一種很有前途的現(xiàn)場總線技術(shù)。它的應(yīng)用將為分布式伺服系統(tǒng)提供一種新的解決方案，會受到人們越來越多的重視。新一代的智能數(shù)字伺服系統(tǒng)通過CAN總線與開放式數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)，是分布式伺服系統(tǒng)發(fā)展的一個有前途方向。