基于CANopen的雙電機同軸驅動控制技術研究

萬　其，劉　洋

(南京工程學院 自動化學院，　南京 211167)

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·天饋伺系統·

基于CANopen的雙電機同軸驅動控制技術研究

萬其，劉洋

(南京工程學院 自動化學院，南京 211167)

同軸驅動是增大輸出功率或消除傳動齒隙非線性對控制精度影響的有效手段。針對雙電機同軸驅動控制需求，建立基于CANopen協議的雙電機同軸控制系統，重點介紹了雙電機消隙控制系統的實現方法，探討了CANopen的傳輸時序設計過程。實驗結果表明：采用具備CANopen協議的通用伺服驅動器實現的雙電機同軸驅動控制，簡化了系統的設計，提高了伺服系統控制精度和改善系統的動態(tài)性能。

雙電機；同軸；CANopen協議

0　引　言

同軸驅動屬于多電機協調控制技術范疇，其應用主要來源于兩類需求：一是在一些重載系統中往往單臺電機驅動難以滿足要求，需要多臺電機協調傳動，如盾構機刀盤多電機驅動系統[1]、石油鉆機起升系統[2]等；另一類是為了提高控制系統的精度，采用多電機同軸驅動消除傳動鏈中齒隙，廣泛應用于各類軍事領域、精密機械加工等機電一體化設備的自動控制系統中，如軍事領域中精密測量雷達裝備[3-4]、機床回轉工作臺[5-6]等。

同軸驅動是將多臺電機通過傳動機構連接，共同驅動負載設備，目前，同軸驅動控制技術主要從控制結構和控制算法方面開展研究，控制結構采用較多的是單速度回路控制，速度控制器的輸出作為所有電機轉矩回路的輸入，實現多電機力矩均衡驅動，在需要消除傳動齒隙的系統中，增加偏置轉矩，消除傳動齒隙[7]；主從式結構是將主電機控制器的輸出轉矩作為從電機轉矩回路的輸入[8]，在上述控制結構的基礎上，增加神經元[9]、模糊控制等先進算法，實現更優(yōu)的控制性能。

CANopen由非營利組織CiA(CAN in Automation)起草，是架構在控制局域網路CAN(Controller Area Network)上的高層通信協定，具備通信實時性好、可靠性高及低成本等優(yōu)點，CiA DS301定義了基本設備及通信子協議，CiA DS402在CiA DS301基礎上補充定義運動控制子協議。為實現多電機同軸驅動，需要在伺服電機驅動器之間進行數據實時傳輸，利用具備CAN網絡的通用伺服驅動器實現同軸驅動是快速實現系統設計的方法。

1　系統控制

1.1控制系統組成

基于CANopen的雙電機同軸驅動控制系統組成如圖1所示，由上位機、速度控制器、伺服驅動器1、伺服驅動器2、電機減速機1、電機減速機2、負載及目標軸角度傳感器等組成。速度控制器具備兩路CAN總線接口，一路與上位機相連，接收上位機速度給定指令及回送控制系統狀態(tài)，另一路與伺服驅動器1、2相連，傳輸轉矩指令及接收伺服驅動器1、2實時檢測的電機實際轉速及實際轉矩，其中伺服驅動器1、2支持CiA DS301協議和CiA DS402協議。在上述系統中，位置控制由上位機完成，速度控制器實現雙電機同軸驅動的速度和消隙控制，伺服驅動器設置為轉矩模式，實現電機的轉矩控制，位置控制為常規(guī)的控制方法，以下主要描述雙電機同軸驅動控制系統的速度控制實現方法。

圖1　控制系統組成

1.2速度控制器的硬件

速度控制器是銜接上位機與伺服驅動器的紐帶，同時完成速度和消隙控制。依據系統需求，速度控制器具備兩路CAN控制器及完成速度、消隙等控制的運算，采用意法半導體STM32F407為控制核心，具備兩路CAN控制器及浮點運算功能，硬件組成如圖2所示，配備STM32F407的最小系統電路及兩路CAN收發(fā)的物理接口。

圖2　速度控制器的硬件組成

1.3雙電機同軸驅動控制回路

雙電機同軸驅動主要應用于增大驅動功率或消除傳動鏈齒隙對系統性能的影響，消隙控制的雙電機同軸驅動控制系統回路如圖3所示，其中速度控制(速度環(huán)校正)、消隙控制等在圖1的速度控制器中完成，轉矩環(huán)在圖1的伺服驅動器中完成(即將伺服驅動器設置為轉矩控制模式)。雙電機同軸驅動的兩臺電機通過傳動鏈剛性連接，單速度回路采用和速反饋控制策略，即速度反饋取自兩臺電機的實際速度之和除以2。

圖3　雙電機同軸驅動控制系統回路框圖

消隙控制偏置轉矩F(x)是兩臺電機實際轉矩之和x的函數，計算如下

(1)

式中：k為最大偏置轉矩，可依據實際系統進行調整，通常選取系統額定轉矩的20%左右，當轉矩之和x較小時，消隙控制輸出固定的偏置轉矩k/2，隨著轉矩之和x的增加，偏置轉矩逐漸減小為0，避免電機系統的驅動轉矩損失，將速度控制器的輸出與消隙偏置轉矩F(x)進行疊加，即完成雙電機同軸驅動的消隙控制。為提高輸出功率的雙電機同軸驅動控制回路框圖與圖2類似，去除消隙相關控制即可，在此不再贅述。

2　基于CANopen控制

2.1CANopen簡介

CANopen設備由三個部分構成，即應用部分、通信部分和對象字典，應用部分是設備的工作程序，通信部分根據CANopen協議在CAN總線上收發(fā)報文，對象字典描述了設備使用的各種數據及參數。CANopen協議定義了四種報文格式實現不同功能的通信，網絡管理NMT實現主節(jié)點傳輸控制命令及從站點傳輸心跳報文等功能，服務數據對象SDO 用于傳輸非實時性數據，過程數據對象PDO傳輸無協議通信，用于傳輸實時性要求高的過程數據，特殊功能協議實現同步對象(SYNC)及緊急事件對象(Emergency)等傳輸功能。

2.2伺服驅動器PDO通道映射

依據1.2節(jié)描述的雙電機同軸驅動控制需求，速度控制器需要實時采集伺服驅動器中的實際電機轉速，消隙控制需要實時采集伺服驅動器中的實際轉矩數據，消隙控制的輸出即伺服驅動器的轉矩給定也需要實時傳輸，結合CANopen傳輸報文特點，上述數據通過過程數據對象PDO進行傳輸。每個PDO通道最大可以映射八個字節(jié)，為提高傳輸實時性，僅使用伺服驅動器中PDO發(fā)送通道1(TPDO1)和PDO接收通道1(RPDO1)。表1、表2分別為TPDO1、RPDO1的重映射數據(兩臺伺服驅動的PDO映射完全相同)，表中數據均為16進制。TPDO1映射了三個對象，即實際轉速(606c)、實際轉矩(6077)、故障信息(1001)，共占用7字節(jié)，RPDO1映射了控制字(6040、32位)和目標轉矩(6071、16位)，速度控制器通過接收TPDO1的數據，實現速度、消隙的控制，同時通過RPDO1，發(fā)送控制字及目標轉矩到伺服驅動器，這種映射方法將全部控制功能在CANopen過程通道(PDO)中實現，無需再有其他SDO通信，減小CAN總線負載，提高系統實時性。

表1　TPDOI映射

表2　RPDIO映射

2.3CANopen通訊時序

為提高速度控制采樣頻率，合理設計CANopen時序非常重要，在CANopen中存在兩種通信模式，即同步通信和異步通信，為提高同步性能，CANopen通信采樣同步模式，由速度控制器發(fā)送同步幀控制CANopen通信過程。

圖4為CANopen數據傳輸時序設計，其中，Ts為速度控制采用周期，①為定時中斷周期起點，在此時刻，速度控制發(fā)送同步幀SYNC，經過T1后在時刻②完成，伺服驅動器1、2接收到同步幀后，TPDO1回送數據，經過T2、T3即在時刻③、④分別接收到伺服驅動器1、2回送的實際轉速和實際轉矩值，在時刻④速度控制器開始速度控制校正運算及消隙偏置力矩等計算，經歷T4，在時刻⑤完成計算，并發(fā)送轉矩給定到伺服驅動器1的RPDO1，經歷T5后完成發(fā)送，在時刻⑥發(fā)送轉矩給定到伺服驅動器2的RPDO1，在時刻⑦完成，T7為采樣周期中空閑時間，用于速度控制器處理與上位機通信等。

圖4　CANopen數據傳輸時序

3　系統測試

按圖1構建雙電機同軸驅動控制系統，速度控制器硬件設計見1.2節(jié)，伺服電機驅動器選擇Elmo Whistle數字伺服控制器，支持CiA DS301、CiA DS402協議，圖5為雙電機同軸驅動系統試驗平臺，包括電機、減速機、齒輪箱、模擬負載慣量盤等。

3.1控制時序測試

依據2.3節(jié)描述的CANopen時序設計，進行了實際通信測試，測試條件為CAN總線通信波特率500 kHz，速度回路周期5 ms(采樣頻率200 Hz)，表3為CAN總線通信調試器在計算機中記錄的CANopen通信時序。

按圖4的數據傳輸模式進行測試，同步SYNC發(fā)出后，經過約0.7 ms后接收伺服驅動器1回送的速度反饋和轉矩反饋，再經過約0.7 ms(T1)后接收伺服驅動器2回送的速度反饋和轉矩反饋，完成反饋數據的傳輸，圖4中T4為速度控制器開始速度控制校正運算及消隙偏置力矩計算等計算時間，從表3中可估算約70 μs，完成運算后，進行數據發(fā)送，通過實測，包含五次CAN數據傳輸及運算時間約為0.7 ms×5+0.07 ms=3.57 ms，因此速度回路采樣周期為5 ms是合適的。

3.2同軸驅動速度階躍特性

在試驗系統上進行速度控制測試，數據是CAN總線調試軟件記錄，速度控制的采樣周期為5 ms，因此記錄的數據為每一幀5 ms。圖6為雙電機驅動速度階躍兩臺電機的轉矩響應曲線，由于轉矩的響應遠小于記錄周期5 ms，因此，轉矩無法觀察到響應時間，由圖6可以看出，在初始階段，和力矩小，產生消隙轉矩，當系統需要轉矩較大時，消隙轉矩為0。圖7為速度階躍響應曲線，輸入為額定轉速的30%左右，響應時間為120 ms左右，超調量小。為方便觀察，將圖6、圖7合并在一起為圖8所示的速度階躍的轉矩和速度響應曲線。通過上述試驗，驗證了基于CANopen的雙電機同軸控制系統設計的可行性。

圖6　速度階躍電機轉矩特性

圖7　速度階躍響應曲線

圖8　速度階躍的轉矩和速度響應性能

4　結束語

同軸驅動是增大輸出功率或消除傳動齒隙非線性對控制精度影響的有效手段，建立基于CANopen協議的雙電機同軸控制系統，并重點描述了雙電機消隙控制系統的實現方法，詳細介紹了CANopen的傳輸時序設計過程。該系統利用通用伺服驅動器，實現方法簡單，工程實用性強。試驗結果表明：采用具備CANopen協議的通用伺服驅動器實現的雙電機同軸驅動控制，簡化了系統的設計，能夠滿足伺服系統控制精度和改善系統的動態(tài)性能。

基于CANopen協議的雙電機同軸控制系統也可以用于多電機的同軸驅動控制，由于多電機傳輸的數據量增大，實時性能受到影響，因此，如何將基于通用現場總線技術應用到多電機同軸控制且提高通信實時性是目前多電機同軸控制的研究方向之一。

[1]趙剛, 劉德. 全盾構機刀盤多電機同步驅動研究[J].廣東造船, 2012,(6): 73-77.

ZHAO Gang, LIU Dequan. Synchronously research of the shield machine cutter drive[J]. Guangdong Shipbuilding, 2012(6): 73-77.

[2]馮莉萍. 深井鉆機絞車多電機主從同步控制設計[J].機械研究與應用. 2015, 28(5): 181-183.

FENG Liping. Design for master-slave synchronous control of multi-motor in drawworks of deep well drilling rig[J]. Mechanical Research & Application, 2015, 28(5):181-183012,(6):73-77.

[3]王錄，張維寧, 陳小燕. 精密測量雷達伺服系統消隙方法應用研究[J]. 現代雷達, 2010, 32(8): 62-65.

WANG Lu，ZHANG Weining, CHEN Xiaoyan. A study on the application of gear anti-backlash′s method of precision measure radar servo system[J]. Modern Radar, 2010, 32(8): 62-65.

[4]黃建國. 基于AMESim的雙電機消隙伺服系統的仿真分析[J]. 現代雷達, 2013, 35(9): 73-76.

HUANG Jianguo. Simulation analysis of dual-motor anti-backlash servo system based on AMESim[J]. Modern Radar, 2013, 35(9): 73-76.

[5]袁苗, 龔時華, 許先雨. 面向重型機床回轉工作臺的雙電機消隙技術[J]. 電氣傳動, 2016, 46(3): 77-80.

YUAN Miao, GONG Shihua, XU Xianyu. Dual-motor servo systems with backlash for heavy machine rotary table[J]. Electric Drive, 2016, 46(3): 77-80.

[6]常軍, 王宏, 王正軍. 龍門鉆床回轉工作臺齒隙非線性的動力學分析[J]. 機械與電子, 2011(7): 27-30.

CHANG Jun, WANG Hong, WANG Zhengjun. Analysis on dynam of gantry drilling machine rotary table backlash nonlinearity[J]. Machinery & Electronics, 2011(7): 27-30.

[7]劉攀玲, 張光輝, 劉妙, 等. 基于偏置力矩的雙電機消隙智能PID控制[J]. 火炮發(fā)射與控制學報, 2015, 36(2): 50-53.

LIU Panling，ZHANG Guanghui，LIU Miao，et al. Intelligent PID control of double motor anti-backlash based on bias torque[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2015, 36(2): 50-53.

[8]羅亞琴, 孫建忠, 劉然. 基于轉矩跟隨主從控制策略的多電機同步控制[J]. 電機技術, 2011(6): 8-11.

LUO Yaqin, SUN Jianzhong, LIU Ran. Synchronization control in multi-motor system based on the torque following master and slave control strategy[J]. Electrical Machinery Technology, 2011(6): 8-11.

[9]ZHAO Wei, REN Xuemei. Neural network-based sliding mode control for dual-motor servo systems[C]// 3rd IFAC International Conference on Intelligent Controland Automation Science.[S.l.]: IEEE Press, 2013: 382-386.

萬其男，1970年生，研究員級高級工程師。研究方向為伺服控制技術。

劉洋男，1993年生，本科。研究方向為自動控制。

A Study on the Dual Motor Coaxial Driven Contol Based on CANopen

WAN Qi，LIU Yang

(School of Automation, Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167, China)

Coaxial driven is an effective means to increase the output power or eliminate the nonlinearity of the transmission gear backlash on the control precision. According to the requirement of dual motor coaxial driven control, a dual motor coaxial control system based on CANopen protocol is set up. The implementation of dual motor anti-backlash control system is emphasized, and the design process of transmission sequence of CANopen is discussed. The experimental results show that using the universal servo driver with CANopen protocol to realize the dual motor coaxial driven control, which simplifies the design of system, improves the control precision of servo system and improves the dynamic performance of the system.

dual motor；coaxial driven；CANopen

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.09.015

南京工程學院科研基金項目(YKJ201319)

萬其Email：qiwanchen@163.com

2016-04-26

2016-06-27

TM341

A

1004-7859(2016)09-0071-04