CAN總線(xiàn)在開(kāi)放式數控系統的應用

　　1． 引言：

　　隨著(zhù)微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動(dòng)控制和精密測量技術(shù)的不斷發(fā)展和迅速應用，在制 造業(yè)中，數控技術(shù)和數控機床不斷更新?lián)Q代，正向著(zhù)高速度、多功能、智能化、開(kāi)放型以及 高可靠性等方面迅速發(fā)展。數控機床的生產(chǎn)量和數控技術(shù)的應用已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)化 程度和技術(shù)水平的重要標志。

　　開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò )化數控系統已成為當前數控技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。CAN 總線(xiàn)適用于數據 交換簡(jiǎn)短而頻繁的場(chǎng)合，是解決工業(yè)控制設備之間數據通信的有效方式，可以方便有效地構 成分布式實(shí)時(shí)過(guò)程檢測與控制系統。由于基于CAN 總線(xiàn)的數據通信具有高可靠性、實(shí)時(shí)性 和靈活性等特點(diǎn)，特別適合于工業(yè)現場(chǎng)自動(dòng)化設備的互連，在汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的 應用。CAN 總線(xiàn)標準也是現場(chǎng)總線(xiàn)的國際標準之一（ISO11898）。

　　本文針對一個(gè)需要上位機與下位機進(jìn)行現場(chǎng)通信的數字控制系統，根據數據量和通信速 率的要求，采用基于CAN 總線(xiàn)作為通信平臺。整個(gè)系統能夠在4ms 的控制周期內，完成對 7 個(gè)伺服軸和一個(gè)主軸的位置和速度控制，系統性能達到了預期的目標。

　　2. 數控機床的組成

　　數控機床一般由輸入輸出設備、CNC 裝置（或稱(chēng)CNC 單元）、伺服單元、驅動(dòng)裝置（或 稱(chēng)執行機構）、可編程控制器PLC 及電氣控制裝置、輔助裝置、機床本體及其測量裝置組成。 圖1 是數控機床組成框圖，其中除機床本體之外的部分統稱(chēng)為計算機數控（CNC）系統。

　　開(kāi)放式數控系統的關(guān)鍵技術(shù)是建立開(kāi)放的數控體系結構，并確定開(kāi)放式的標準。在結構上向趨于裁剪、擴展和升級的方向發(fā)展；形式上向可靈活組成不同檔次、不同類(lèi)型的方向進(jìn)行邁進(jìn)。

　　3. 系統設計

　　3．1 硬件平臺設計

　　根據開(kāi)放式數控系統的可裁減要求，數控系統最大控制能力為七軸五聯(lián)動(dòng)。具體的控制 量為：外接數字IO 數量不少于340 個(gè)，其中輸入不少于200 個(gè)，輸出不少于140 個(gè)，不少 于80 個(gè)繼電器輸出，并且有不少于40 個(gè)繼電器輸出指示燈。

　　本系統要求能夠控制七個(gè)伺服軸和一個(gè)主軸，設置控制周期為 4ms，因此要在4ms 的 控制周期內完成對8 個(gè)軸的控制，其中每個(gè)軸的控制字為4 字節，再加上本系統設計時(shí)所使 用的外接數字IO 為360 個(gè)，則控制字需要360/8=45 個(gè)字節，因此通訊速度至少為（4*8+45） /0.004=19.25 Kb/s。在通信距離不超過(guò)40m 時(shí)，can 總線(xiàn)數據傳輸速率可高達1Mb/s，我們 系統設計所要求的最大傳輸距離為30m ，因此完全可以滿(mǎn)足要求。為了增強通訊的可靠性， 使用雙CAN 通信，其中第2 路can 總線(xiàn)作為系統的冗余。

　　如果把上位機（PC104+CAN 通信卡）和下位機（PC104+位控卡+IO 卡）插在一起或疊 在一起，會(huì )限制數控系統結構安裝的靈活性。另外，如果上位機和下位機擁擠安置在操作盒 內，不利于散熱；而且運動(dòng)控制板卡也安裝在操作盒內，接口線(xiàn)纜密集，不利于拆裝。在此， 希望設計一種通訊結構能夠使上位機和下位機分開(kāi)安裝，而且兩者之間以較少的通訊線(xiàn)連接 進(jìn)行長(cháng)距離通訊，所以此處考慮到采用CAN 總線(xiàn)的串行通信方式。 圖 2 為CAN 總線(xiàn)的開(kāi)放式數控系統架構。

　　圖中，上位機系統為思泰基公司的SB610（PC104）主板，外加2 路can 總線(xiàn)（用 SJA1000+82C250）構成，采取內存影射方式讀寫(xiě)數據，經(jīng)can 總線(xiàn)將數據傳送給下位機。 上位機由于外接開(kāi)關(guān)電源不便以及考慮干擾，電源需要從下位機引入24V 電源，經(jīng)24/5V電源模塊輸出供電。

　　上位機的機箱根據整個(gè)系統的需求，采用外殼為散熱片的鋁殼機箱，前面面板有LCD 窗口，以及其他撥碼開(kāi)關(guān)等，控制面板鑲嵌在前面板中。后面板有電源（24VDC）輸入， usb 輸入口、CAN 總線(xiàn)通訊口、鍵鼠接口、CRT 接口（調試需求）和網(wǎng)絡(luò )接口（考慮升級 需求）、手搖脈沖接口等。

　　下位機系統是由母板、1 塊CPU 板（PC104+2 路CAN 總線(xiàn)）、2 塊位控卡、3 塊IO 卡 構成。CPU 板、位控卡、IO 卡用雙排96 針歐式插座（針）成直角插接在母板(孔)上。本系 統設計的輸入點(diǎn)為216 個(gè)，輸出點(diǎn)為144 個(gè)，滿(mǎn)足系統I/O 要求。

　　3．2 CAN 通信鏈路設計

　　CAN 數據幀的標準格式如下：

　　其中，我們只需要設置仲裁段、控制段和數據段。仲裁段用來(lái)設置不同類(lèi)型幀的優(yōu)先級；控 制段由6個(gè)位構成，用來(lái)顯示數據段使用的字節數；數據段可包含0～8個(gè)字節的數據。

　　CAN 通過(guò)“無(wú)損的逐位仲裁”方法來(lái)使有最高優(yōu)先權的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN 總線(xiàn)上 發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個(gè)29 位數字的ID。CAN 總線(xiàn)狀態(tài)取決于二進(jìn)制0 而不 是1，所以ID 號越小，則報文擁有越高的優(yōu)先權。 本通信系統共設置 8 個(gè)優(yōu)先級，CNC 系統與主軸之間交換的數據設置為最高優(yōu)先級， 即將其數據幀的仲裁段設置為全0。CNC 系統與七個(gè)伺服軸之間交換的數據的優(yōu)先級被分 別依次設置為優(yōu)先級1～7。

　　本通信系統所傳送的每一幀數據段只用了 8 字節其中的3 字節，后5 字節保留未用，其 中，第一字節表示當前數據幀的類(lèi)型，接下來(lái)的2 個(gè)字節是本數據幀需要傳輸的數據。具體 設置如下：

　?。?）CNC 系統要向伺服驅動(dòng)器發(fā)送的信息主要包括控制信號和位置/速度增量。 當數據類(lèi)型為 0x01 時(shí)，對應的數據內容為對伺服驅動(dòng)器的控制信號。該信號在下述3 種情況下發(fā)送：開(kāi)機（或重啟動(dòng)）初始化完成時(shí)；當CNC 系統要改變對伺服驅動(dòng)器的控制 時(shí)；發(fā)生報警時(shí)。

　　當數據類(lèi)型為 0x02 時(shí)，對應的數據內容為實(shí)時(shí)控制伺服運動(dòng)的位置/速度增量值，2 字 節16 位帶符號數表示范圍是±32767 個(gè)增量單位。本數據幀CNC 系統每個(gè)控制周期向伺服 驅動(dòng)器發(fā)送一次。

　?。?）伺服驅動(dòng)器需要向CNC 系統發(fā)送的數據信息主要包括狀態(tài)信號和實(shí)際（編碼器） 的位置/速度增量以及其他伺服數據。

　　當數據類(lèi)型為 0x01 時(shí)，對應的數據內容為伺服狀態(tài)信號。該信號在以下幾種情況下發(fā) 送：當CNC 系統請求獲得伺服狀態(tài)信號而此時(shí)又沒(méi)有位置回復幀時(shí)；當伺服驅動(dòng)器出現報 警時(shí)；在CNC 位置廣播后的位置回復幀中。

　　當數據類(lèi)型為 0x02 時(shí)，對應的數據內容為伺服驅動(dòng)器反饋的實(shí)際位置/速度增量值，2 字節16 位帶符號數表示范圍是±32767 個(gè)增量單位。本數據幀CNC 系統每個(gè)控制周期向伺 服驅動(dòng)器發(fā)送一次。

　　4. 基于CAN 總線(xiàn)的數控系統的控制性能

　　通常，數控系統所工作的工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境比較復雜，所以在實(shí)際應用中對CAN 總線(xiàn)數據 傳輸可靠性的要求比較高。在CAN 總線(xiàn)的實(shí)際應用中，時(shí)鐘同步機制在提高系統可靠性方 面發(fā)揮著(zhù)十分重要的作用。

　　表 1 總結了兩種比較常用的有效的CAN 總線(xiàn)時(shí)鐘同步方法的主要特點(diǎn)。如下，

　　通過(guò)比較這兩種同步方法的各項性能指標，本文采用的同步方法為OCS-CAN （orthogonal clock subsystem for CAN）。特別的，該時(shí)鐘同步方法在容錯性方面有許多優(yōu)點(diǎn)， 容錯性的提高將大大提高系統數據傳輸的可靠性。

　　該方法在容錯性方面主要基于以下三點(diǎn)： 首先，限制各節點(diǎn)的錯誤語(yǔ)義轉化為突發(fā)錯誤語(yǔ)義。這點(diǎn)是可以做到的，例如，采用[3] 中提到的重復比較方法。第二，采用主站冗余機制。OCS-CAN定義了大量的備用主站，可 以隨時(shí)替換出錯的主站。

　　第三，進(jìn)行模塊檢測[4]來(lái)正式核實(shí)容錯機制的正確性。該正式核 實(shí)考慮到大量的錯誤模型，包括可能出現的信息矛盾。 試驗證明，該方法不僅可以提高系統數據傳輸的精度和可靠性，而且可以將成本控制在 一個(gè)合理的水平，是一種經(jīng)濟有效的CAN 時(shí)鐘同步方法。

　　5．結論：

　　基于 CAN 總線(xiàn)的數控機床網(wǎng)絡(luò )解決了局域網(wǎng)型數控機床的缺點(diǎn)，結構簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、 可靠性高、通信距離長(cháng)、連接設備多。

　　本文的設計結果表明，對一個(gè)控制量多、實(shí)時(shí)性要求 嚴格的數字控制系統，基于CAN 總線(xiàn)的通信完全能夠滿(mǎn)足要求。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：利用CAN 總線(xiàn)構成了一個(gè)全閉環(huán)的開(kāi)放式數控系統，并且本數控系 統的最大控制能力為能夠控制七個(gè)伺服軸和一個(gè)主軸。