基于CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

關(guān)鍵詞:運(yùn)動(dòng)控制; CAN 總線; 總線通訊; SJA1000

Abstract:With developments of the computer technology, motion control system is wisely usedand the system based on network is deeply researched. It‘ s discussed that conventional motion controlsystem has drawback,analysed communication characteristic of fieldbus control system, and designed amotion control system based on last, It presents the hardware and the communication softwaredesign of CANbus based on SJA1000. The system is proved to be simpler to connect,more reliable andeasier to realize on experiment .

Key words: Motion control; CANbus; Communication; SJA1000

1 引言

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備—電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象, 以控制器為核心, 以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu), 在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。在電氣時(shí)代, 電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。在近年來(lái), 由于半導(dǎo)體制造設(shè)備等相關(guān)的電子制造設(shè)備市場(chǎng)大幅成長(zhǎng), 而使得機(jī)器設(shè)備上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)了以下幾點(diǎn)技術(shù)需求:
（ 1） 多軸運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器設(shè)備因自動(dòng)化程度提高而使得單一機(jī)器上所需要的軸數(shù)增多, 一臺(tái)設(shè)備上十幾軸是常見(jiàn)的事情。在軸數(shù)變多后, 如何協(xié)調(diào)各軸動(dòng)作就是一個(gè)重要的課題。
（ 2） 體積要小。由于廠房空間的限制, 機(jī)器的體積要求越小越好, 機(jī)器內(nèi)控制器的體積也就被要求愈來(lái)愈小, 相對(duì)的走線空間也愈來(lái)愈小。
（ 3） 要更精確。隨著半導(dǎo)體制程已經(jīng)精密到100nm 一下, 在制程及檢測(cè)相關(guān)設(shè)備所要求的運(yùn)動(dòng)精度也要更精確, 其它如LCD 設(shè)備, SMD 制程設(shè)備也有相同要求。
（ 4） 要更穩(wěn)定。因?yàn)樗性O(shè)備的投資經(jīng)費(fèi)龐大, 系統(tǒng)停機(jī)的成本就更顯的突出, 因此所有機(jī)器設(shè)備制造商都必須追求系統(tǒng)的穩(wěn)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(cuò)。
　　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(nèi)進(jìn)行多軸運(yùn)動(dòng)控制, 又要控制器的體積更小, 配線和維修要更容易, 這些條件看來(lái)是相沖突的?？梢赃@樣說(shuō), 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)便是應(yīng)這些新機(jī)器設(shè)備的需求而產(chǎn)生的。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信特性

　　用于運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線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(cè)到事件發(fā)生后, 根據(jù)預(yù)定的算法計(jì)算出正確的應(yīng)答, 然后將應(yīng)答信息發(fā)送給數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器。從事件發(fā)生到應(yīng)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(biāo)。但是, 事件觸發(fā)中的事件是隨機(jī)的、不可預(yù)知的, 所以導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線通信的不確定性, 系統(tǒng)中的各個(gè)站點(diǎn)會(huì)爭(zhēng)用傳輸介質(zhì),導(dǎo)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(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)最為簡(jiǎn)單, 但是也可以用周期性數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn), 此時(shí), 就必須標(biāo)識(shí)哪個(gè)周期的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。
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(jì)算出控制數(shù)據(jù), 然后及時(shí)發(fā)送控制數(shù)據(jù)給伺服驅(qū)動(dòng)器?？刂坪屯ㄐ攀峭ㄟ^(guò)一個(gè)全局時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的, 系統(tǒng)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(zhēng)用傳輸媒介,整個(gè)系統(tǒng)是可靠的。時(shí)間觸發(fā)控制中的通信周期時(shí)間應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸必須有確定性, 也稱為實(shí)時(shí)性。
總體而言, 用于運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的性能要求有三點(diǎn):
（ 1） 可靠的通信, 以適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境;
（ 2） 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。周期性數(shù)據(jù)傳輸和非周期性數(shù)據(jù)傳輸都必須有很高的實(shí)時(shí)性, 響應(yīng)時(shí)間通常為（ 1～10） ms。
（ 3）命令執(zhí)行和狀態(tài)反饋的同步性。為了達(dá)到各坐標(biāo)軸的同步運(yùn)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(zhí)行位置控制指令和同時(shí)采樣當(dāng)前位置, 發(fā)送給控制單元。

3 CAN 總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　CAN 總線（ Controller Area Network 控制局域網(wǎng)絡(luò)） , 是一種普遍的應(yīng)用。通過(guò)CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制, 使伺服電機(jī)的性能更加穩(wěn)定, 能更好更靈活地地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　主控制器筆者采用AT89C51 單片機(jī)作為處理核心, 采用PCA82C250 作為CAN 總線收發(fā)器, 圖2 給出了基于 SJA1000的CAN 總線系統(tǒng)電路圖。為了增強(qiáng)抗干擾能力, SJA1000 的TX0 和RX0 引腳并沒(méi)有直接和PCA82C250 的 TXD, RXD 相連接, 而是通過(guò)高速光耦6N137 后與PCA82C250 相連, 這樣可以實(shí)現(xiàn)總線上各CAN 節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離, 光耦 6N137 的兩側(cè)使用完全獨(dú)立的兩組電源VCC 和+5V。

5 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　基于SJA1000 的CAN 總線建立通信的過(guò)程包括系統(tǒng)初始化、接收和發(fā)送。

5.1 SJA1000 的初始化程序

　　AT89C51 在上電后首先運(yùn)行其自身的復(fù)位程序, 并在此后調(diào)用SJA1000 的配置程序。配置程序在設(shè)置SJA1000 的寄存器前, 必須通過(guò)讀復(fù)位模式/ 請(qǐng)求標(biāo)志來(lái)檢查SJA1000 是否已處于復(fù)位模式, 因?yàn)橐獙懭肱渲眯畔⒌募拇嫫鲀H在復(fù)位模式下可以被寫入。初始化程序中, 首先將SJA1000 設(shè)為復(fù)位狀態(tài), 隨后定SJA1000 使用PeliCAN 模式, CLKOUT 引腳輸出頻率為外接晶振頻率的 1/2, 為單驗(yàn)收濾波器模式。
SJA1000 的初始化流程（ 圖略） 。
　　在清除SJA1000 的復(fù)位模式/ 請(qǐng)求標(biāo)志進(jìn)入工作模式時(shí),必須先檢查標(biāo)志是否確實(shí)被清除、是否進(jìn)入了工作模式后, 才能進(jìn)行下一步的操作。在進(jìn)入工作模式后, CAN 控制器的中斷可被使能, 并開始正常的發(fā)送或接收?qǐng)?bào)文。

5.2 SJA1000 的報(bào)文發(fā)送接收

　　根據(jù)CAN 協(xié)議規(guī)范, 報(bào)文的傳輸由CAN 控制器SJA1000獨(dú)立完成。在報(bào)文的發(fā)送過(guò)程中, 單片機(jī)AT89C51 必須將要發(fā)送的報(bào)文送入系統(tǒng)發(fā)送緩沖區(qū), 在將系統(tǒng)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)移至CAN 控制器發(fā)送緩沖器之前, 必須判斷發(fā)送緩沖器是否被釋放。
　　報(bào)文的接收由CAN 控制器SJA1000 獨(dú)立完成, 收到的報(bào)文在接收緩沖器內(nèi), 同時(shí)將狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志RBS 和接收中斷標(biāo)志RI 置位。如果報(bào)文接收被使能, 單片機(jī)可以將接收緩沖器內(nèi)的新報(bào)文讀出, 并存儲(chǔ)到單片機(jī)的內(nèi)存單元或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中, 然后釋放接收緩沖器。SJA1000 報(bào)文接收過(guò)程可以由SJA1000 的中斷請(qǐng)求或查詢SJA1000 的控制段狀態(tài)標(biāo)志來(lái)控制。

6 小結(jié)

　　分析傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已不滿足電子制造設(shè)備的要求和現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信特性, 提出了基于SJA1000 的CAN總線的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案, 為交流伺服的網(wǎng)絡(luò)化研究和應(yīng)用作出了一次有益的新探索。CAN 總線可以很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)的較高要求, 同時(shí)使用CAN 總線還使得系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性能。這樣為向多軸或多點(diǎn)的分布式運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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