基于CAN總線的多軸位置伺服聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析

王 瑋, 史偉民, 魯文其,2, 虞志源, 張建亞

(1. 浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院, 杭州 310018; 2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院, 杭州 310007)

基于CAN總線的多軸位置伺服聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析

王 瑋1, 史偉民1, 魯文其1,2, 虞志源1, 張建亞1

(1. 浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院, 杭州 310018; 2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院, 杭州 310007)

針對(duì)國(guó)內(nèi)大部分?jǐn)?shù)控裝備多軸聯(lián)動(dòng)時(shí)采用脈沖或模擬量接口方式存在的一系列問(wèn)題,提出了一種基于CANopen運(yùn)動(dòng)控制協(xié)議DSP 402的多軸聯(lián)動(dòng)伺服系統(tǒng)控制方案,闡述了DSP 402的通信控制原理和方法。設(shè)計(jì)了位置聯(lián)動(dòng)幾種控制模式,包括單軸位置控制,雙軸位置聯(lián)動(dòng)控制和雙軸位置同步控制。以雙軸聯(lián)動(dòng)伺服系統(tǒng)為對(duì)象搭建了測(cè)試平臺(tái),并進(jìn)行了位置聯(lián)動(dòng)模式下的性能測(cè)試和分析。結(jié)果顯示,雙軸控制性能良好,證明了方案的可行性,可以為多軸位置聯(lián)動(dòng)的工業(yè)場(chǎng)合提供設(shè)計(jì)參考。

多軸; 聯(lián)動(dòng); CANopen; PLC; HMI; 伺服系統(tǒng); 位置控制模式

0 引 言

目前,多軸分布式驅(qū)動(dòng)技術(shù)在很多機(jī)械設(shè)備,尤其是在大型數(shù)控系統(tǒng)中,得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在2013年工業(yè)自動(dòng)化展中,高性能、高品質(zhì)的數(shù)控機(jī)床都已普遍采用多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)控制方式有應(yīng)用傳統(tǒng)的脈沖方式,也有應(yīng)用新型的現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)方式。而采用傳統(tǒng)脈沖方式設(shè)計(jì)的數(shù)控裝備往往會(huì)容易引入干擾[1-2],例如,在拉床控制系統(tǒng)方面,鄧雄飛[3]和魯文其等[4]設(shè)計(jì)了拉床系統(tǒng)主溜板的雙軸同步控制策略方案,該方案采用了脈沖接口的方式進(jìn)行通信,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)對(duì)脈沖方式的走線要求極高,稍有不妥就會(huì)引入干擾脈沖,而目前該系統(tǒng)性能也已經(jīng)達(dá)到了脈沖方式的設(shè)計(jì)極限,如果需要開(kāi)發(fā)更高性能的伺服拉床,比如螺旋型伺服拉床,就必須引入現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。在伺服壓力機(jī)方面,魯文其等[5-6]分析了壓力機(jī)在沖壓加工過(guò)程負(fù)載具有的瞬時(shí)重載特性,解決了利用雙軸聯(lián)動(dòng)控制的特性來(lái)減小單一伺服電機(jī)工作帶來(lái)的瞬時(shí)峰值電流過(guò)大的問(wèn)題,但是又帶來(lái)了使用脈沖方式控制雙軸,易引入干擾等問(wèn)題。

目前,EtherCAT、PowerLink等實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),在響應(yīng)時(shí)間等方面優(yōu)勢(shì)明顯,但其成本較高。因此,選用CAN總線方式具有可靠性高、技術(shù)成熟、開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn),并與普通現(xiàn)場(chǎng)總線相比,波特率更高,響應(yīng)速度更快,在經(jīng)濟(jì)型的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。例如,文獻(xiàn)[7]在瓦楞紙碼垛機(jī)場(chǎng)合,方案全套采用CANopen總線控制,解決了采用脈沖控制方式帶來(lái)的接線眾多,丟脈沖導(dǎo)致定位精度低,抗干擾能力差等缺點(diǎn),同時(shí)還具備極高性價(jià)比。

針對(duì)以上研究的不足,本文采用新型的現(xiàn)場(chǎng)總線方式來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脈沖形式,以此設(shè)計(jì)了基于CAN總線的多軸聯(lián)動(dòng)伺服系統(tǒng)控制方案,并搭建了測(cè)試平臺(tái),通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可能性。

1 多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 方案總體設(shè)計(jì)

基于CAN總線的多軸聯(lián)動(dòng)伺服系統(tǒng)控制方案,主要由主控制器、人機(jī)交互界面、多組伺服軸等3部分組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主站系統(tǒng)由主控制器和人機(jī)交互界面組成,從站系統(tǒng)為多個(gè)伺服軸。其中,主控制器與人機(jī)交互界面之間的通訊采用CAN總線,記為CAN總線1;主控制器與伺服軸之間通訊連接為CAN總線2,伺服軸之間采用并行控制方式。所有伺服電機(jī)的編碼器反饋實(shí)時(shí)位置信息通過(guò)CAN總線2發(fā)送回給主控制器,實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制。若外部人員需要監(jiān)視實(shí)時(shí)反饋位置值,主控制器也可通過(guò)CAN總線1把該值發(fā)送給人機(jī)交互界面,在其面板上顯示。

圖1 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)方案總體結(jié)構(gòu)

在工業(yè)界,CAN總線的應(yīng)用層主要有2種,分別是DeviceNet和CANopen。本方案采用CANopen協(xié)議,其協(xié)議最核心的部分是對(duì)象字典的定義。圖1中,CAN總線1包含了基本通信所需的協(xié)議CIA DS 301,而CAN總線2還包含了運(yùn)動(dòng)控制子協(xié)議CIA DSP 402。其中,CANopen 402包含了6種控制模式,分別是軌跡位置模式,軌跡速度模式,位置插補(bǔ)模式,回零模式,軌跡轉(zhuǎn)矩模式以及速度模式。模式之間轉(zhuǎn)換通過(guò)控制字(6040h)來(lái)選擇,而狀態(tài)字(6041h)表示各個(gè)模式下伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 DSP 402控制原理介紹

當(dāng)主控制器收到人機(jī)交互界面發(fā)出位置控制模式命令后,開(kāi)始對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送位置指令。傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)三環(huán)控制程序結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)結(jié)構(gòu),加入軌跡規(guī)劃函數(shù)模塊,并在程序中增加分支語(yǔ)句[8],位置控制流程如圖2所示。比如在軌跡位置模式下,伺服驅(qū)動(dòng)器接收到上位機(jī)指令脈沖值(607 Ah),內(nèi)部會(huì)判斷出當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行所處軌跡位置模式,進(jìn)入該軌跡規(guī)劃函數(shù)分支,作內(nèi)部增量計(jì)算,會(huì)不斷刷新脈沖給定值(6062h),當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)后,編碼器會(huì)實(shí)時(shí)反饋位置值(6064h),分頻輸回給偏差計(jì)數(shù)器,并且也把該對(duì)象字典中的值發(fā)送回上位機(jī)。

圖2 位置控制流程

2 多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于DSP 402的并行控制原理

當(dāng)伺服軸處于位置控制模式(如圖3所示)時(shí),圖3中的主控制器會(huì)向每個(gè)電機(jī)軸發(fā)送參數(shù),根據(jù)DSP 402協(xié)議定義,發(fā)送對(duì)應(yīng)對(duì)象字典表中值,即固定模式PDO。各從站控制單元接收到PDO控制幀后,因?yàn)槠渲g完全沒(méi)有耦合,所以不會(huì)對(duì)其他控制器造成干擾,而電機(jī)發(fā)出反饋信號(hào),都通過(guò)DSP 402中實(shí)時(shí)反饋位置值(6064h),返回到上位機(jī)控制器中,不會(huì)影響另外電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.2 雙軸位置聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制方案

人機(jī)交互界面選擇觸摸式液晶顯示屏,其中包括了人機(jī)交互界面圖形設(shè)計(jì)與CANopen通訊設(shè)計(jì),并采用簡(jiǎn)單易懂的模塊化配置形式,設(shè)計(jì)組態(tài)軟件可與部分主控制程序所對(duì)應(yīng),滿足控制要求。

圖3 多軸并行控制原理示意

PLC使用簡(jiǎn)單方便,故障率低,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求不高,可作為主控制器。在目前的很多自控系統(tǒng)中,也常常選用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的控制設(shè)備,用于數(shù)據(jù)采集和控制[9]。

布正偉在《建筑語(yǔ)言的基本語(yǔ)法規(guī)則》中提出了建筑詞法的典型化規(guī)則。典型化規(guī)則是指通過(guò)詞形的變異與提煉，以構(gòu)成重復(fù)使用的具有典型化構(gòu)形特征的典型詞語(yǔ)[23]。余蔭山房的水面邊界、屋頂輪廓線、景觀步道等元素通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)建筑語(yǔ)言進(jìn)行變異處理，大量運(yùn)用直線代替曲線或圓弧進(jìn)行造型，形成了典型的語(yǔ)匯。

因?yàn)槎鄠€(gè)從軸與一個(gè)從軸在控制算法上是一樣的[10],所以本文以雙軸為例進(jìn)行聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制思路的設(shè)計(jì)與分析。該方案采用CAN總線方式代替脈沖方式控制。具體控制要求為在位置模式下,同步位置需小于1個(gè)脈沖。具體方案如圖4所示。

圖4 雙軸位置聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制方案

如圖4所示,在液晶顯示器上輸入控制指令,通過(guò)CAN總線傳輸給PLC,然后,PLC發(fā)送CAN指令給伺服驅(qū)動(dòng)器1與伺服驅(qū)動(dòng)器2。驅(qū)動(dòng)器接收到指令后,控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于具體實(shí)現(xiàn)方法,在HMI中編寫(xiě)組態(tài)軟件,在PLC編寫(xiě)邏輯程序以及通信連接,并在PLC上編寫(xiě)了2種單軸測(cè)試方法和多種雙軸聯(lián)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)案例。聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

圖5 雙軸位置聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制模式原理

圖5所示,在多種測(cè)試方法中,選取位置模式下的一種測(cè)試方案來(lái)說(shuō)明具體測(cè)試方法,即雙軸位置交替運(yùn)行,該方法的流程如圖6所示。

圖6所示,上位機(jī)發(fā)送運(yùn)行指令,PLC接收以后,發(fā)送CAN指令。1號(hào)軸接到主控制器運(yùn)行指令,運(yùn)行一定位置,到達(dá)后驅(qū)動(dòng)器反饋狀態(tài)信息,經(jīng)過(guò)PLC邏輯處理,發(fā)送2號(hào)軸運(yùn)行指令,如此交替往復(fù)。具體例程流程為:1號(hào)軸接到主控制運(yùn)行指令,運(yùn)行一定位置,到達(dá)后驅(qū)動(dòng)器反饋狀態(tài)信息,經(jīng)過(guò)PLC邏輯處理,發(fā)送2號(hào)軸運(yùn)行指令,如此交替往復(fù)。其中,電機(jī)軸位置到達(dá)信息通訊是通過(guò)DSP 402協(xié)議中軌跡位置模式狀態(tài)字(6041h)來(lái)實(shí)現(xiàn),而同步幀編碼器實(shí)時(shí)反饋位置值(6064h)作為電機(jī)低速時(shí)PLC邏輯預(yù)判斷,當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)和參數(shù)變化使得跟蹤誤差變化時(shí),兩軸聯(lián)動(dòng)性能仍然保持良好。

圖6 位置聯(lián)動(dòng)模式下雙軸交替運(yùn)行流程

3 雙軸位置伺服聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試與性能分析

3.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

在本測(cè)試中,用歩科PLC作為主控制器,包括了2路CAN總線口,作為CAN總線主站。人機(jī)交互界面采用歩科7寸電阻式液晶屏,作為上位機(jī)顯示屏幕,在現(xiàn)場(chǎng)總線中,可以看作CAN總線從站。下位機(jī)控制設(shè)備包括:1號(hào)伺服驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為PRONET-E-15A,作為CAN總線從站1;配套電機(jī)為1.5 kW,額定扭矩為7.16 N·m,最大轉(zhuǎn)速為2 000 r/min;編碼器為增量省線式編碼器,其分辨率為2 500 P/R。2號(hào)伺服驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為PRONET-08AMA,作為CAN總線從站2;配套電機(jī)為750 W,額定扭矩為2.39 N·m,最大轉(zhuǎn)速為3 000 r/min;編碼器為17位串行編碼器,其分辨率為131 072 P/R,實(shí)現(xiàn)雙軸伺服聯(lián)動(dòng)。總體實(shí)物連接如圖7所示。

圖7 實(shí)物連接圖

3.2 多通信方式下響應(yīng)時(shí)間比較

CAN通信中數(shù)據(jù)幀為監(jiān)聽(tīng)載波形式發(fā)送,各個(gè)數(shù)據(jù)幀通過(guò)優(yōu)先級(jí)高低,連續(xù)不斷發(fā)送,如圖8所示。

圖8 CAN總線延遲

以發(fā)送64 bit數(shù)據(jù)為例,比較脈沖接口方式(脈沖頻率為65 kbit/s),RS485總線方式(波特率為9 600 bit/s),CAN總線方式(波特率為1Mbit/s),EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)方式(波特率為100 Mbit/s),各類的響應(yīng)時(shí)間如表1所示。

表1 各控制方式響應(yīng)時(shí)間

由表1看出,CAN總線方式速度要快于脈沖接口方式和RS485總線方式,而且總線方式有CRC校驗(yàn)位,可以提高數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。而64bit數(shù)據(jù)為CAN總線最大一幀數(shù)據(jù),也就是說(shuō)最小響應(yīng)時(shí)間為254 us。可以看出,兩軸之間延遲為微秒級(jí),在該系統(tǒng)中可以忽略傳輸延遲。所以如果用CAN總線方式代替脈沖方式,能夠大大縮小響應(yīng)時(shí)間,提高控制精度。對(duì)于雙軸系統(tǒng)來(lái)說(shuō),毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間能有良好的控制效果。而對(duì)基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT方式來(lái)說(shuō),系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間會(huì)縮短,特別是對(duì)于一次發(fā)送數(shù)據(jù)量大,控制從站節(jié)點(diǎn)多的場(chǎng)合,響應(yīng)速度優(yōu)勢(shì)會(huì)尤為明顯。但基于工業(yè)以太網(wǎng)方式的伺服系統(tǒng)硬件成本較高;對(duì)于在經(jīng)濟(jì)型的場(chǎng)合,選用CAN總線方式具有可靠性高,技術(shù)成熟,開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn),與普通現(xiàn)場(chǎng)總線相比,波特率更高,響應(yīng)速度更快。

3.3 位置聯(lián)動(dòng)模式測(cè)試與優(yōu)化

在測(cè)試平臺(tái)搭建及通信配置完成以后,首先選取單軸模式下位置控制模式,對(duì)雙軸伺服驅(qū)動(dòng)器分別進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)PID參數(shù)的設(shè)定,使伺服系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行柔和時(shí),再調(diào)整速度環(huán)增益,使得電機(jī)跟隨誤差減小到0。然后,選取了雙軸位置聯(lián)動(dòng)模式,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,即一軸到達(dá)目標(biāo)位置,另一軸開(kāi)始運(yùn)行。在人機(jī)交互界面選擇相對(duì)運(yùn)行位置、運(yùn)動(dòng)軌跡模式等開(kāi)關(guān)項(xiàng)按鈕,并輸入運(yùn)行脈沖數(shù),最大運(yùn)行速度以及加速度減速度等具體數(shù)據(jù)值。經(jīng)過(guò)對(duì)DSP 402中目標(biāo)位置窗口(6067h)與位置窗口到達(dá)時(shí)間(6068h)兩參數(shù)的修改,可以使兩軸在位置控制模式下,精確完成交替運(yùn)動(dòng)等工序,具體如圖8所示。

圖8 交替運(yùn)行時(shí)雙軸電機(jī)的位置曲線測(cè)試波形

圖8中,2組電機(jī)最大運(yùn)行速度都為1 000 r/min,1號(hào)電機(jī)運(yùn)行50 000脈沖,即5圈。而2號(hào)電機(jī)運(yùn)行1 000 000脈沖,即7.62圈。主控制器實(shí)時(shí)接收1、2號(hào)電機(jī)碼盤(pán)反饋位置值,當(dāng)1臺(tái)電機(jī)到達(dá)時(shí),立刻運(yùn)行另一臺(tái)電機(jī),驗(yàn)證了基于CAN總線的多軸聯(lián)動(dòng)伺服系統(tǒng)控制方案的有效性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的多軸聯(lián)動(dòng)伺服系統(tǒng)控制方案,分析了方案的理論可行性,闡述了基于DSP402的并行原理及其控制思路;設(shè)計(jì)了位置聯(lián)動(dòng)多種控制模式,包括單軸位置控制、雙軸位置聯(lián)動(dòng)控制和雙軸位置同步控制;搭建了雙軸聯(lián)動(dòng)伺服系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái),進(jìn)行了位置控制模式下的性能測(cè)試與分析。試驗(yàn)結(jié)果顯示,雙軸控制性能良好,可以滿足基于CAN總線的多軸伺服位置聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的控制要求,能應(yīng)用于響應(yīng)時(shí)間要求高而成本低廉的工業(yè)場(chǎng)合。

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(責(zé)任編輯： 康 鋒)

Design and Performance Analysis of Multi-axis Position Servo Linkage System Based on CAN Bus

WANGWei1,SHIWei-min1,LUWen-qi1,2,YUZhi-yuan1,ZHANGJian-ya1

(1. School of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China; 2. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310007, China)

To solve a range of problems that exist when pulse or analog quantity interface mode is adopted in multi-axis linkage of most numerical control equipment in China, a multi-axis linkage servo system control strategy based on CANopen movement control protocol—DSP 402 is put forward, and the principles and methods of communication control of DSP 402 are stated. Several control modes for position linage are designed, comprising single-axis position control, dual-axis position linkage control and dual-axis position synchronous control. A test platform is built with dual-axis linkage servo system as object, and performance test and analysis are made in the mode of position linkage. Results show that the performance of dual-axis control is good, which proves the feasibility of the scheme, and can be reference for industrial occasions of multi-axis position linkage.

multi-axis; linkage; CANopen; PLC; HMI; servo system; position control mode

1673- 3851 (2015) 01- 0095- 05

2014-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51307151);浙江省自然科學(xué)基金一般項(xiàng)目(LY13E070005);浙江省博士后科研擇優(yōu)資助項(xiàng)目(BSH1402065)

王 瑋(1988-),男,浙江杭州人,碩士研究生,主要從事網(wǎng)絡(luò)分布式控制系統(tǒng)方面的研究。

魯文其,E-mail:luwenqi@zstu.edu.cn

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