基于CAN總線的伺服電機通信控制

【導讀】介紹了CAN總線與伺服電機的特點，并討論了伺服電機基于CAN總線的通信控制特性。

1、引言

CAN(ControllerArea Network)總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信局域網(wǎng)絡，由于其高性能、高可靠性、實時性好以及獨特的設計，已廣泛應用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構之間的數(shù)據(jù)通信，在工控領域興起應用熱潮。

而伺服電機具有結構緊湊、控制容易、運行穩(wěn)定、響應速度快等優(yōu)異特性，已越來越成為現(xiàn)代工業(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、工業(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，使其很容易掛接到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用范圍,使伺服電機能更好更靈活地應用于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中。

2、CAN總線的特性

作為專門應用于工業(yè)自動化領域的網(wǎng)絡，CAN總線具有以下優(yōu)點：

(1)使用簡單方便。許多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)操作。

(2)高效可靠。CAN采用短幀結構，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ㄐ潘俾士蛇_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，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?/p>

(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、伺服電機接入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，可以像其他的CAN節(jié)點一樣，用普通雙絞線作為通信介質(zhì)，很方便地連接到基于CAN總線的工業(yè)控制系統(tǒng)上，如圖1所示。

倫茨的伺服控制器與伺服電機之間采用旋轉變壓器或光電編碼器建立反饋，形成高精度的伺服控制系統(tǒng)，伺服電機實時地將其運行狀態(tài)與運行信息上傳給伺服控制器。作為CAN總線上的節(jié)點，伺服控制器不僅可以與上位主機進行通信，通過CAN總線接收上位機的各種操作、控制和參數(shù)設定命令；同時伺服控制器之間亦可以進行快速的數(shù)據(jù)交換，相互間建立一定的協(xié)調(diào)或控制關系。

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)視管理。由于CAN總線在工業(yè)控制上的應用越來越廣泛，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通信卡、北京華控的HK-CAN20通信卡、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，來運行復雜的通信任務，進行各CAN節(jié)點與上位主機之間的數(shù)字通信和協(xié)調(diào)管理。

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、算術功能模塊、信號類型轉換模塊、斜坡函數(shù)發(fā)生模塊、相位積分模塊以及較特殊的數(shù)頻輸入輸出模塊、數(shù)頻處理模塊、伺服控制處理模塊、速度設定處理模塊等等。用戶利用這些功能塊，可以自由配置控制器的信號流程，使控制器能很容易地適應不同的實際應用。

為了實現(xiàn)基于CAN總線的應用，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信與數(shù)據(jù)傳輸。輸入功能塊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、電機的正反轉切換、電機正常模式轉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的對應關系，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)輸入通道和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)輸入通道，對伺服控制器內(nèi)的各種參數(shù)進行設置修改，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)，如伺服電機的當前溫度、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的通信協(xié)議

作為實時性要求比較高的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡，CAN協(xié)議只分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈入層和應用層。CAN通信協(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通信協(xié)議給出的只是共性要求，在實際應用中需要將協(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通信協(xié)議標準，制定了伺服控制器的通信協(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。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)代碼表中設定。而對信息的基準標識符，伺服控制器有統(tǒng)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遵循的使用原則。比如，要通過參數(shù)通道進行參數(shù)設定，第1個字節(jié)為命令碼，第2、3字節(jié)為參數(shù)對應的索引號，第4個字節(jié)為參數(shù)對應的次索引，后4個字節(jié)是要設定的參數(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、上位主機的軟件設計

通過CAN總線進行通信與控制的伺服電機，在針對實際的應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計問題。

由于上位主機所接插的CAN通訊適配卡一般都提供CAN的驅動函數(shù)，所以在上位機軟件的編制過程中，實現(xiàn)與CAN總線的通信部分可以直接調(diào)用相應的函數(shù)，如上位主機與CAN通信的主要任務：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進行通信提供了方便。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，設置中斷向量、通信卡的波特率以及中斷屏蔽字等必要的參數(shù)，為正常通信作準備。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，填入幀頭，并在數(shù)據(jù)域中填入需要發(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，判斷其來源，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。

上位主機正是通過對CAN驅動函數(shù)的不斷調(diào)用，發(fā)送控制命令或參數(shù)設定命令給各伺服電機的伺服控制器，驅動伺服電機的啟停運轉；同時接收來自伺服控制器的伺服電機的速度、相位、轉動方向、轉矩等各種數(shù)據(jù)信息及狀態(tài)信息，并進行分析處理，然后按照系統(tǒng)的實際控制需要再給伺服控制器發(fā)送相應的命令，去驅動電機，使伺服電機的運行始終按用戶的要求進行變化，從而實現(xiàn)對伺服電機的管理與控制。

7、結束語

倫茨伺服電機CAN接口的引入，提高了伺服電機的自動化水平，使伺服電機在工業(yè)控制網(wǎng)絡中的通信與控制更為方便、靈活和可靠。

CAN總線在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中越來越廣泛的應用，為帶CAN接口的伺服電機提供了廣闊的應用前景。

審核編輯：湯梓紅