基于CAN總線多軸伺服控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

強(qiáng)明輝，張彥龍，馬永煒，韓春春（蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

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基于CAN總線多軸伺服控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

強(qiáng)明輝，張彥龍，馬永煒，韓春春
（蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

摘要：針對腸溶性膠囊殼在生產(chǎn)過程中運(yùn)動(dòng)過程多、控制精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，研究了基于CAN總線的多軸交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)AHCPU500-EN PLC為控制器，配置CAN總線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了控制器與ASDA-A2系列伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)交換，達(dá)到了對生產(chǎn)線中38臺(tái)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和精確定位控制的目的。通過觸摸屏開發(fā)了參數(shù)設(shè)置程序，可靈活設(shè)置運(yùn)動(dòng)軌跡，以滿足用不同膠液作為原料生產(chǎn)膠囊的運(yùn)動(dòng)軌跡控制要求。實(shí)際應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性好，實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：CAN總線；伺服控制；膠囊生產(chǎn)線

腸溶性膠囊是在胃溶性膠囊的基礎(chǔ)上研發(fā)的新產(chǎn)品，其生產(chǎn)線是一個(gè)典型流程的生產(chǎn)設(shè)備，通過蘸膠、脫水烘干、切割、套合等工序?qū)崿F(xiàn)空心膠囊殼的生產(chǎn)。該生產(chǎn)線要求38個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能快速、精準(zhǔn)地響應(yīng)控制命令以實(shí)現(xiàn)工藝要求的水平、升降和旋轉(zhuǎn)等功能。本文針對該要求研究了基于CAN總線的多軸交流伺服運(yùn)動(dòng)控制方法，設(shè)計(jì)了基于觸摸屏、臺(tái)達(dá)AHCPU500-EN PLC，CANopen通訊模塊AH10COPM-5A以及ASDA-A2系列伺服驅(qū)動(dòng)器的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通過該伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)過程的慢速啟動(dòng)、快速制動(dòng)、精確定位、在線調(diào)速以及設(shè)計(jì)運(yùn)行軌跡等功能。

1　伺服系統(tǒng)構(gòu)建

伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有啟停特性好、定位精度高、響應(yīng)時(shí)間快、運(yùn)行穩(wěn)定、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合于膠囊生產(chǎn)線高精度運(yùn)動(dòng)控制要求。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過觸摸屏可以設(shè)置某一運(yùn)動(dòng)的每一段速度值和位移值，PLC將給定的速度值和位移值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器將給定的脈沖信號(hào)與編碼器反饋的脈沖信號(hào)作比較，輸出相應(yīng)的控制電壓信號(hào)，伺服電機(jī)在該電壓信號(hào)的控制下輸出一定的角速度和角位移，帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到精準(zhǔn)控速和精確定位的目的［1］。

圖1　伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the servo control system

該膠囊生產(chǎn)線控制系統(tǒng)選用15×2.54 cm觸摸屏M5700T與10×2.54 cm觸摸屏M4523TE作為雙人機(jī)交互界面，通過組態(tài)軟件Kinco HMI-ware對觸摸屏進(jìn)行組態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可通過觸摸屏對膠囊生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。臺(tái)達(dá)AHCPU500-EN PLC作為控制器通過RS-485通信模塊AH10SCM-5A采用Modbus RTU通信協(xié)議實(shí)時(shí)讀取與主軸電機(jī)同軸連接的編碼器的角度值，并經(jīng)PLC處理后，由CANopen主站模塊AH10COPM-5A通過CAN總線與從站38臺(tái)臺(tái)達(dá)ASDA-A2系列伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確完成工藝要求的動(dòng)作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2　通訊與參數(shù)設(shè)置

2.1CAN總線與CANopen協(xié)議

因生產(chǎn)線通信距離長、控制伺服電機(jī)多且要求通信速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此本系統(tǒng)選用CAN總線用于伺服驅(qū)動(dòng)器與PLC之間的通訊，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制。CAN全稱為“Controller Area Net”，即控制器局部網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)［2］，采用國際ISO898標(biāo)準(zhǔn)，它只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的技術(shù)規(guī)范，但沒有規(guī)定應(yīng)用層協(xié)議［3］。CANopen是基于CAN網(wǎng)絡(luò)的一種應(yīng)用層協(xié)議，具有很好的模塊化特性，與其它現(xiàn)場總線協(xié)議相比，更加精煉、透明、便于理解，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域［4］。CANopen協(xié)議有同步觸發(fā)、異步觸發(fā)、事件觸發(fā)等觸發(fā)方式和主從、廣播等通訊方式。本系統(tǒng)選用CANopen協(xié)議，采用事件觸發(fā)、主從通訊的方式，通過CAN_H和CAN_L 2條信號(hào)線使用差分方式傳送PDO報(bào)文，實(shí)現(xiàn)PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)傳送。以從站角度來講，PDO分為接收PDO（RxPDO）和發(fā)送PDO（TxPDO），具體傳輸方向如圖3所示。當(dāng)RxPDO或TxPDO數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，即產(chǎn)生一個(gè)事件，主從站間通訊被觸發(fā)。當(dāng)RxPDO數(shù)據(jù)和TxPDO數(shù)據(jù)無變化時(shí)，主從站間不進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖3　主從方式PDO傳輸Fig.3 The PDO transfer of master-slave mode

2.2實(shí)現(xiàn)CANopen通訊

對主站模塊初始化設(shè)置，規(guī)定讀寫起始寄存器地址，并對伺服驅(qū)動(dòng)器站號(hào)、通訊波特率進(jìn)行設(shè)置，通過配置節(jié)點(diǎn)、PDO映射等，建立伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)變量與PLC寄存器地址之間的對應(yīng)關(guān)系，用于編寫PLC程序與觸摸屏程序?qū)λ欧姍C(jī)予以控制。

2.2.1主站配置

利用Delta ISPSoft軟件設(shè)定AH10COPM-5A模塊為CANopen主站，并規(guī)定INPUT區(qū)和OUTPUT區(qū)的D映射起始地址及長度，INPUT區(qū)和OUTPUT區(qū)寄存器不能重疊。如圖4所示，INPUT區(qū)起始地址為D5000，長度為460字節(jié)；OUTPUT區(qū)起始地址為D6000，長度為460字節(jié)。

圖4　CANopen主站參數(shù)配置Fig.4 The parameters configuration of CANopen master station

2.2.2從站配置

使用Delta CANopen Builder軟件對從站38臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行配置。

首先，搭建主站模塊和從站伺服驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架［5］，如圖5所示。001為CANopen通訊主站的地址，002～039依次為CANopen網(wǎng)絡(luò)中38個(gè)從站的地址。

圖5　CANopen主從站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.5 Network architecture diagram of CANopen master-slave station

其次，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置。以002伺服節(jié)點(diǎn)為例，從EDS文件提供的PDO中選擇所需PDO，加至已配置的PDO列表中，如圖6所示。伺服驅(qū)動(dòng)器提供了4個(gè)RxPDO和4個(gè)TxPDO，可供選擇用于存放讀寫參數(shù)。

圖6　CANopen從站節(jié)點(diǎn)配置圖Fig.6 Node configuration diagram of CANopen slave station

再次，將所需的參數(shù)對象添加到已映射的參數(shù)列表區(qū)域，進(jìn)行PDO配置，如圖7所示。其它伺服驅(qū)動(dòng)器從站的PDO映射方法與此類似。

圖7　CANopen從站PDO映射圖Fig.7 PDO map of CANopen slave station

最后，38臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器從站節(jié)點(diǎn)配置完成后，將各個(gè)從站節(jié)點(diǎn)添加到節(jié)點(diǎn)列表中，得到設(shè)備輸入、輸出列表。如圖8所示，從輸入、輸出列表中可以看到每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含的驅(qū)動(dòng)器參數(shù)變量與PLC地址之間的對應(yīng)關(guān)系。例如，對于002號(hào)節(jié)點(diǎn)，D6000寄存器中存放該節(jié)點(diǎn)的P3-06參數(shù)值。

圖8　CANopen從站節(jié)點(diǎn)列表圖Fig.8 The node list figure of CANopen slave station

2.3伺服控制模式選擇與設(shè)定

2.3.1伺服控制模式選擇

臺(tái)達(dá)ASDA-A2系列伺服驅(qū)動(dòng)器提供位置、速度、轉(zhuǎn)矩3種基本操作模式，既可使用單一控制模式，也可采用混合模式進(jìn)行控制［6］。每種控制模式有不同的應(yīng)用場合，由于膠囊生產(chǎn)線要求各設(shè)備的行程精度遠(yuǎn)高于速度、轉(zhuǎn)矩的精度，因此本系統(tǒng)選用位置控制模式。位置模式根據(jù)命令來源不同，分為PT與PR兩種，其中PT位置命令來源于端子臺(tái)輸入的脈波，PR位置命令來源于內(nèi)建位置命令寄存器。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制，本系統(tǒng)采用PR位置模式，并采用軟件觸發(fā)，通過PLC以通訊方式下達(dá)命令，即直接對P5-07寫入路徑編號(hào)［6］。

2.3.2伺服驅(qū)動(dòng)器PR模式設(shè)定

臺(tái)達(dá)ASDA-A2系列伺服驅(qū)動(dòng)器的PR運(yùn)動(dòng)控制模式，提供了多種外部觸發(fā)方式，可隨時(shí)通過外部觸發(fā)或內(nèi)部插斷來改變控制命令。在PR模式下，操作功能眾多，如原點(diǎn)復(fù)歸控制、位置控制、速度控制、程序跳轉(zhuǎn)等，并且各控制類中又提供了多種方式，組合多樣，操作靈活［6］。

用軟件Delta ASDA-Soft對伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行初始化設(shè)置，本系統(tǒng)38臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器均采用以當(dāng)前位置為原點(diǎn)的絕對定位方式，即伺服上電時(shí)的位置為零點(diǎn)，在運(yùn)行過程中以與此點(diǎn)的絕對距離作為伺服的位置信息。并在位置命令DATD（PUU）輸入框中設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需執(zhí)行的脈沖數(shù)，正負(fù)表示方向，范圍為-2147483648至2147483647，使用者可以按需要自己規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑。

伺服電機(jī)在以不同速度同向連續(xù)運(yùn)行的多段PR中，為使速度平滑過渡，采用執(zhí)行此PR時(shí)不插斷前一PR且允許下一PR重疊，并將延遲時(shí)間設(shè)為0，使前命令的絕對值減速斜率等于后命令絕對值加速斜率。以直線模組4段PR為例，根據(jù)膠囊生產(chǎn)工藝，直線模組需慢速啟動(dòng)，緩緩與模條接觸；為了提高生產(chǎn)效率，當(dāng)直線模組接觸到模條后以較高速度運(yùn)行；為防止模條由于速度過高而滑行，在將要達(dá)到目標(biāo)位置前需減速運(yùn)行；最后直線模組空載需高速退回原點(diǎn)。即滿足：

按該方法配置速度、加減速時(shí)間等參數(shù)，其直線模組速度曲線如圖9所示，其中速度大于0時(shí)曲線表示前進(jìn)3段的速度疊加，小于0時(shí)曲線表示第4段后退速度曲線。

圖9　直線模組速度曲線Fig.9 Speed curve of a straight line module

2.4協(xié)調(diào)控制

由于生產(chǎn)線38臺(tái)伺服電機(jī)動(dòng)作之間存在極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，只依靠接近開關(guān)等的到位信號(hào)，很難平穩(wěn)、低故障控制各電機(jī)運(yùn)行且當(dāng)某臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)易造成與之關(guān)聯(lián)的電機(jī)誤動(dòng)作。因此借助與主軸電機(jī)通過減速器（生產(chǎn)線運(yùn)行1個(gè)周期，編碼器旋轉(zhuǎn)1圈）同軸相連的編碼器的角度值，根據(jù)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序，協(xié)調(diào)控制38臺(tái)伺服電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)刻。經(jīng)分析，伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)時(shí)刻與編碼器角度值有密切關(guān)系，動(dòng)作時(shí)序圖見圖10。

圖10　動(dòng)作時(shí)序圖Fig.10 The sequence diagram of movement

3　人機(jī)界面

觸摸屏作為操作人員與PLC交互的工具，通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的參數(shù)監(jiān)控與在線設(shè)置。本項(xiàng)目由于生產(chǎn)線過長，機(jī)頭和機(jī)尾各安裝1臺(tái)觸摸屏，便于操作與監(jiān)控。

直線模組需要靈活設(shè)置運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，分別在位移列中輸入前進(jìn)3段的位移值，以及在速度列中輸入每段位移對應(yīng)的運(yùn)行速度值，如圖11所示。

圖11　直線模組軌跡設(shè)置界面Fig.11 Settings interface of straight line module

界面參數(shù)表示以30 r/min的低速前行60.50 mm，再以120 r/min的高速前行520.00 mm，然后以60 r/min的低速前行40.30 mm，最后以200 r/min的高速退回原點(diǎn)。

位移輸入框中的數(shù)字以mm為單位，需經(jīng)過觸摸屏軟件進(jìn)行數(shù)值對應(yīng)換算為脈沖數(shù)傳送至PLC相應(yīng)的寄存器。假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈所需的脈沖數(shù)為N個(gè)，而電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈絲杠的垂直位移為S mm，因此，伺服電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)0.01 mm需要脈沖數(shù)為M個(gè)，有：

式中：P1-44為電子齒輪比分子值；P1-45為電子齒輪比分母值。

伺服電機(jī)的編碼器每轉(zhuǎn)需1 280 000個(gè)脈波。

因此，只需將觸摸屏“直線模組軌跡設(shè)置”界面中速度值和位移值乘以M所得脈沖值傳給速度和位置參數(shù)所對應(yīng)的寄存器，即可實(shí)現(xiàn)通過人機(jī)界面靈活可調(diào)速度，位置信息。

生產(chǎn)線38臺(tái)伺服電機(jī)動(dòng)作時(shí)刻存在強(qiáng)耦合關(guān)系，為提高實(shí)時(shí)性、降低故障率，采用絕對值編碼器角度值用于協(xié)調(diào)控制各設(shè)備動(dòng)作時(shí)刻。

編碼器角度設(shè)置界面如圖12所示。

圖12　編碼器角度設(shè)置界面Fig.12 Settings interface of encoder angle

4　PLC程序?qū)崿F(xiàn)

膠囊生產(chǎn)線系統(tǒng)搭建完成后，需編寫PLC程序?qū)λ欧姍C(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。以直線模組為例，實(shí)現(xiàn)程序如下所示：

LD SM400

MOV 16#E D6000（*對P3-06賦值*）

LD M0（*M0為手動(dòng)條件*）

AND M2（*M2為直線模組手動(dòng)進(jìn)按鈕*）

OUT D6001.1（*伺服驅(qū)動(dòng)器P2-11為137，此接點(diǎn)接通伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)寸動(dòng)*）

AND M3（*M3為直線模組手動(dòng)退按鈕*）

OUT D6001.2（*伺服驅(qū)動(dòng)器P2-12為138，此接點(diǎn)接通伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)寸動(dòng)*）

AND M4（*M4清除故障*）

OUT D6001.3（*設(shè)伺服驅(qū)動(dòng)器P2-13為102，此處用于清除故障*）

LD M1（*M1為自動(dòng)條件*）

AND M5（*M5為直線模組自動(dòng)進(jìn)條件*）

MOV 1 D6002（*伺服電機(jī)執(zhí)行PR1，PR2，PR3，前進(jìn)*）

AND M6（*M6為直線模組自動(dòng)退條件*）

MOV 4 D6002（*伺服電機(jī)執(zhí)行PR4，退回原點(diǎn)*）

LD M7（*直線模組參數(shù)確認(rèn)*）

MOV D0 D6003（*D0為“直線模組參數(shù)設(shè)置”界面中速度值1所連地址*）

MOV D1 D6004（*D1為“直線模組參數(shù)設(shè)置”界面中速度值2所連地址*）

MOV D2 D6005（*D2為“直線模組參數(shù)設(shè)置”界面中速度值3所連地址*）

MOV D3 D6006（*D3為“直線模組參數(shù)設(shè)置”界面中速度值4所連地址*）

DMOV D4 D6007（*D4為“直線模組參數(shù)設(shè)置”界面中位移值1所連地址*）

D+ D6007 D6 D6009（*D6為“直線模組參數(shù)設(shè)置”界面中位移值2所連地址*）

D+ D6009 D8 D6011（*D8為“直線模組參數(shù)設(shè)置”界面中位移值3所連地址*）

伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)與PLC寄存器對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　參數(shù)與寄存器對應(yīng)表Tab.1 Parameters and the corresponding register

5　結(jié)論

本文研究了基于CAN總線的多軸伺服控制技術(shù)和伺服電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制方法。設(shè)計(jì)了腸溶性膠囊生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)，構(gòu)建了CAN總線運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)線中38臺(tái)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸精確穩(wěn)定，控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，人機(jī)界面友好，并提高了生產(chǎn)線效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］叢明，劉冬，杜宇，等.PLC伺服控制在太陽能電池組件搬運(yùn)機(jī)械手中的應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011 （9）：66-69.

［2］楊春杰，王曙光，亢紅波.CAN總線技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［3］周然，王莉娜，高小安.基于CAN總線的增強(qiáng)型監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電氣傳動(dòng)，2012，42（8）：64-67.

［4］王國建，王建峰，高承博，等.CAN總線技術(shù)在數(shù)字電鍍電源中的應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng)，2012，42（8）：59-63.

［5］孫文慧，喬衛(wèi)斌.基于CANopen總線方式伺服定位控制系統(tǒng)研究［J］.自動(dòng)化博覽，2014（7）：100-102.

［6］中達(dá)電通股份有限公司.臺(tái)達(dá)高機(jī)能通訊型伺服驅(qū)動(dòng)器ASDA-A2系列-應(yīng)用技術(shù)手冊［Z］.2012.

修改稿日期：2015-07-25

Research and Application of Multiaxial Servo Control System Based on CAN Bus

QIANG Minghui，ZHANG Yanlong，MA Yongwei，HAN Chunchun
（College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu，China）

Abstract:Aiming at the characteristics of multi movement process，high control precision and fast response speed in the production process for intestinal soluble capsule shell，a multiaxial servo motion control system based on CAN bus was studied. The system used Delta AHCPU500-EN PLC as the controller，and was configured with CAN bus communication module，then the data exchange between the controller and ASDA-A2 series servo drives was realized，the movement control and accurate positioning control for 38 servo motors in the production line were achieved. In addition，the parameters setting program was developed through touch screen，the movement trajectory could be set up flexibly to meet the movement trajectory control requirements when different adhesive solution was used as raw material to produce capsule. Practical application shows that the control system has the advantage of stable and reliable operation，real-time performance and strong practicability.

Key words:CAN bus；servo control；capsule production line

收稿日期：2015-05-11

作者簡介：強(qiáng)明輝（1960-），男，教授級高工，碩士生導(dǎo)師，Email：qls1415@163.com

基金項(xiàng)目：甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（148RJYA002）

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A