基于CAN 總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )化運動(dòng)控制系統的研究

1引言

運動(dòng)控制系統是以機械運動(dòng)的驅動(dòng)設備―電動(dòng)機為控制對象,以控制器為核心,以電力電子、功率變換裝置為執行機構,在自動(dòng)控制理論指導下組成的電氣傳動(dòng)控制系統。在電氣時(shí)代,電動(dòng)機一直在現代化的生產(chǎn)和生活中起著(zhù)十分重要的作用。在近年來(lái),由于半導體制造設備等相關(guān)的電子制造設備市場(chǎng)大幅成長(cháng),而使得機器設備上的運動(dòng)控制系統出現了以下幾點(diǎn)技術(shù)需求:
（1）多軸運動(dòng)控制。機器設備因自動(dòng)化程度提高而使得單一機器上所需要的軸數增多,一臺設備上十幾軸是常見(jiàn)的事情。在軸數變多后,如何協(xié)調各軸動(dòng)作就是一個(gè)重要的課題。
（2）體積要小。由于廠(chǎng)房空間的限制,機器的體積要求越小越好,機器內控制器的體積也就被要求愈來(lái)愈小,相對的走線(xiàn)空間也愈來(lái)愈小。
（3）要更精確。隨著(zhù)半導體制程已經(jīng)精密到100nm一下,在制程及檢測相關(guān)設備所要求的運動(dòng)精度也要更精確,其它如LCD設備,SMD制程設備也有相同要求。
（4）要更穩定。因為所有設備的投資經(jīng)費龐大,系統停機的成本就更顯的突出,因此所有機器設備制造商都必須追求系統的穩定性。同時(shí)也必須考慮在組件損壞要維修時(shí),必須能快速替換且不出差錯。
綜合以上幾點(diǎn)的需求分析可以看到,既要在一個(gè)控制器內進(jìn)行多軸運動(dòng)控制,又要控制器的體積更小,配線(xiàn)和維修要更容易,這些條件看來(lái)是相沖突的?？梢赃@樣說(shuō),現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)便是應這些新機器設備的需求而產(chǎn)生的。

2現場(chǎng)總線(xiàn)運動(dòng)控制系統通信特性

用于運動(dòng)控制的現場(chǎng)總線(xiàn)有兩種通信控制策略:事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)。事件觸發(fā)中,控制單元檢測到事件發(fā)生后,根據預定的算法計算出正確的應答,然后將應答信息發(fā)送給數字伺服驅動(dòng)器。從事件發(fā)生到應答信息的接收之間的延時(shí)必須是有限的,也就是最大值必須是可知的,它的值就是通信協(xié)議的實(shí)時(shí)性指標。但是,事件觸發(fā)中的事件是隨機的、不可預知的,所以導致現場(chǎng)總線(xiàn)通信的不確定性,系統中的各個(gè)站點(diǎn)會(huì )爭用傳輸介質(zhì),導致通信的沖突和不可靠,很難保證高的實(shí)時(shí)性。事件觸發(fā)通常是非周期性的,使用非周期性數據傳輸實(shí)現最為簡(jiǎn)單,但是也可以用周期性數據傳輸實(shí)現,此時(shí),就必須標識哪個(gè)周期的數據為有效數據。
時(shí)間觸發(fā)通常是周期性地進(jìn)行的,控制單元周期性地計算出控制數據,然后及時(shí)發(fā)送控制數據給伺服驅動(dòng)器?？刂坪屯ㄐ攀峭ㄟ^(guò)一個(gè)全局時(shí)鐘進(jìn)行驅動(dòng)的,系統的行為不僅在功能上得到確定,而且在時(shí)間上也是確定的,各站點(diǎn)不會(huì )爭用傳輸媒介,整個(gè)系統是可靠的。時(shí)間觸發(fā)控制中的通信周期時(shí)間應該等于控制周期時(shí)間,或者通信周期時(shí)間能夠被控制周期時(shí)間整除。周期性的時(shí)間觸發(fā)中,通信周期時(shí)間必須固定,不能有明顯的波動(dòng),即數據傳輸必須有確定性,也稱(chēng)為實(shí)時(shí)性。
總體而言,用于運動(dòng)控制的現場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議的性能要求有三點(diǎn):
（1）可靠的通信,以適合工業(yè)現場(chǎng)惡劣的環(huán)境;
（2）數據傳輸的實(shí)時(shí)性。周期性數據傳輸和非周期性數據傳輸都必須有很高的實(shí)時(shí)性,響應時(shí)間通常為（1～10）ms。
（3）命令執行和狀態(tài)反饋的同步性。為了達到各坐標軸的同步運動(dòng)精度,需要各軸在收到命令值之后必須在同一時(shí)刻同時(shí)執行位置控制指令和同時(shí)采樣當前位置,發(fā)送給控制單元。

3CAN總線(xiàn)運動(dòng)控制系統總體設計

CAN總線(xiàn)（ControllerAreaNetwork控制局域網(wǎng)絡(luò )）,是一種普遍的應用。通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸與控制,使伺服電機的性能更加穩定,能更好更靈活地地應用于運動(dòng)控制系統中。

如圖1所示,基于CAN總線(xiàn)的運動(dòng)控制系統與控制系統典型結構相比,有兩個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)。第一是其控制對象為伺服運動(dòng)控制對象,第二是其網(wǎng)絡(luò )化控制器包括CAN總線(xiàn)通信媒介和CAN控制器節點(diǎn)兩部分。多個(gè)CAN控制器節點(diǎn)通過(guò)CAN總線(xiàn)通信媒介平行互聯(lián)為一個(gè)單層結構的基于CAN總線(xiàn)的伺服運動(dòng)控制系統。當需要更多軸運動(dòng)控制時(shí),只需要簡(jiǎn)單的再增加新運動(dòng)控制節點(diǎn),把新的運動(dòng)控制節點(diǎn)作為新的CAN總線(xiàn)節點(diǎn)掛接到CAN總線(xiàn)上就可以形成一個(gè)分布式多軸運動(dòng)控制系統,而且無(wú)需在硬件上對原有的運動(dòng)控制節點(diǎn)做任何的修改。也可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)與IE（IndustryEthernet）或Intranet/Internet上下互聯(lián)為一個(gè)多層結構的網(wǎng)絡(luò )化伺服運動(dòng)控制系統。