基于SBus通信的多電機同步技術研究

董少鵬

【摘 要】 介紹MOVILINK指令集中的SBus通信技術以及基于SBus通信的多電機同步技術，并結合工程案例，分析某開 合屋蓋項目的控制系統(tǒng)結構和原理。

【關鍵詞】 SBus通信；多電機同步；MOVILINK協(xié)議；開合屋蓋

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.01.009

Research Based on Synchronized Technology SBus Communicated Multi-motor Synchronized Technology

DONG Shao-peng

（Beijing Performing Arts Group Co.， LTD.， Beijing 100007， China）

【Abstract】Introduced SBus communication technology of MOVILINK instructions as well as based on synchronized technology SBus communicated multi-motor synchronized technology， and combined with engineering cases， analysis of a movable roof control system structure and principle of the project.

【Key Words】SBus； motor synchronization； MOVILINK； movable roof

1 引言

近年來，由于被控對象復雜程度及其對控制精度要求的提高，單軸驅動方式無法滿足實際的需求。因此，隨著自動化技術的提高、變頻技術的成熟和適用范圍的擴大，多電機同步控制在工業(yè)自動化、軍事、航天等領域中得到越來越廣泛的應用[1]。

對于各被控單元，多電機同步技術可分為兩種：一是并行控制，通過主控單元生成的虛軸產(chǎn)生統(tǒng)一給定指令，控制各軸實際速度、位置，考慮到各軸之間的協(xié)調關系由同步系數(shù)決定，各軸性能和負載差異對實際控制效果影響較大；二是主從控制（master-slaver），在多軸中確定一個軸為主軸，其他作為從軸，控制指令發(fā)給主軸控制器，主軸控制器通過通信總線或信號線路將控制信號發(fā)送至從軸控制器[2]。目前，交流變頻器同步控制普遍采用這兩種方式。筆者討論基于SBus通信的主從控制方式。

2 SBus通信技術簡介

SEW公司的MOVILINK指令集包含RS458、SBus、Ethernet等通信協(xié)議，SBus通信技術是為了滿足MOVILINK協(xié)議，在CAN總線標準基礎上衍生出的一種通信技術，其技術協(xié)議和特性與CAN2.0A和CAN2.0B一致。

2.1 SBus的工作原理

對應于CAN總線標準，SBus總線技術包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，其中鏈路層定義了不同的信息類型、總線訪問的仲裁規(guī)則及故障檢測與故障處理的方式。

當SBus總線上的一個節(jié)點（站）發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡中所有節(jié)點。SBus總線上的一個節(jié)點將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出時，網(wǎng)上的其他節(jié)點處于接收狀態(tài)。每組報文開頭的11位字符為標識符（CAN2.0A），定義了報文的優(yōu)先級。每個處于接收狀態(tài)的節(jié)點對接收到的報文標識符進行檢測判斷，以確定是否接收。

SBus可以很容易在總線系統(tǒng)中加進一些新節(jié)點而無需在硬件或軟件上進行修改。

2.2 SBus的特點

（1）多主機方式工作，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。

（2）網(wǎng)絡上的節(jié)點（信息）可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。

（3）采用網(wǎng)絡權限仲裁總線結構機制，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

（4）節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。

（5）SBus節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸速率有125 Kb/s、250 Kb/s、500 Kb/s和1 000 Kb/s四種，出廠默認為500 Kb/s，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同，SBus總線最大長度不同，但最大不得超過320 m，從站最大數(shù)量為64個。

2.3 SBus總線的報文格式

CAN總線標準分為標準報文（CAN2.0A）和擴展報文（CAN2.0B），它們對應的數(shù)據(jù)報文結構如圖1所示。

SBus總線報文結構與CAN一樣，可以分為報文標識符（ID）、數(shù)據(jù)區(qū)、CRC校驗區(qū)及結束符。

通過SBus總線，SEW變頻器之間可以在同步或異步狀態(tài)下進行參數(shù)設置和數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示。

變頻器在MOVILINK協(xié)議框架下，需要傳輸許多不同種類的報文，主要可以分為三類：同步報文、過程數(shù)據(jù)報文及參數(shù)報文。對應有三種報文標識符（ID），該標識符共有11位，分為三個部分，各個部分對應的數(shù)據(jù)位和說明如圖3所示。

報文標識符與地址的對應關系如表1所示。

SBus通信容許對組進行操作，此時在報文標識符中的地址變?yōu)榻M地址，且功能值為6。

3 基于SBus通信的多電機同步技術

3.1 SBus通信硬件連接

SBus通信采用2線雙絞屏蔽線，通信線須滿足以下要求。

（1）導體截面積不小于0.75 mm2；

（2）導線阻值在1 MHz頻率時小于120 Ω；

（3）單位長度導線電容在1 kHz頻率下小于等于40 PF/m；

（4）不同通信頻率下的導線最大長度如表2所示。

如圖4所示，SBus總線將多個控制單元串聯(lián)，總線最大連接設備數(shù)量為64個。屏蔽接地除了接設備的DGND端子外，還需要通過外殼接地。終端電阻在總線兩端設備撥為ON，中間設備撥為OFF。

3.2 SBus總線主從通信架構

主從控制器之間進行SBus通信原理如圖5所示，其中包括了同步報文、過程輸入輸出報文及參數(shù)輸入輸出報文的傳輸。

3.2.1 同步數(shù)據(jù)報文的傳輸

由圖5可以看出，SBus主從通信周期為5 ms，因此在每個周期的起始主機會發(fā)同步報文到從機，表示開始一個新的通信周期。

同步報文采用廣播的方式由主機發(fā)送，從機接收后不回發(fā)確認報文，同步報文的標識符值默認為0。

3.2.2 過程數(shù)據(jù)報文的傳輸

過程數(shù)據(jù)報文分為同步和異步兩種方式，其中同步過程輸出數(shù)據(jù)報文必須在2.5 ms～5.5 ms的固定時間段內(nèi)發(fā)送（如圖5所示），異步過程輸入數(shù)據(jù)則以應答的方式由從機在下一個周期的第一個毫秒內(nèi)發(fā)送到主機。

從圖6的示意圖可以看出，過程數(shù)據(jù)報文包括過程輸入數(shù)據(jù)（PI）和過程輸出數(shù)據(jù)（PO），過程輸出數(shù)據(jù)由主機發(fā)送至從機，包含主機對從機的設定值。過程輸入數(shù)據(jù)由從機發(fā)送給主機，包含從機的實際運行數(shù)值。在一個通信周期內(nèi)，過程數(shù)據(jù)報文個數(shù)固定為3個。

3.2.3 參數(shù)數(shù)據(jù)報文的傳輸

參數(shù)數(shù)據(jù)報文也分為同步和異步兩種方式，其中同步參數(shù)報文必須在通信周期5 ms內(nèi)應答，且同步應答報文在通信周期的1 ms內(nèi)發(fā)送（如圖5所示）。異步參數(shù)報文的傳輸與時間無關。

參數(shù)數(shù)據(jù)報文可分為參數(shù)請求報文和參數(shù)應答報文，兩者報文格式相同（如圖7所示），參數(shù)報文除了標識符域（ID）和CRC域之外，由3部分組成：管理域（Management）、索引域（Index）、數(shù)據(jù)域（Data）。

3.2.4 組過程報文與組參數(shù)報文的傳輸

以上報文傳輸都是針對于一主一從通信而言的，對于一主多從的情況，SBus總線通信協(xié)議采用了組報文的方式進行數(shù)據(jù)發(fā)送。組報文只能由主機發(fā)送至從機，從機只是接收，不應答。組報文也可分為組數(shù)據(jù)報文和組參數(shù)報文，其格式如圖8所示。

3.3 基于SBus總線的主從同步配置

3.3.1 變頻器基本設置

基于SBus總線進行主從同步通信時，需要在變頻器中進行相關參數(shù)的設置（圖9），同時需要將所有站點上的數(shù)據(jù)傳輸速率設置為相同（1 000 Kb/s或500 Kb/s）。

3.3.2 SBus總線數(shù)據(jù)傳輸指令

在SEW變頻器IPOS編程工具中，用于變量數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟COM指令有以下幾種。

（1）_SBusComDef（SCD_TRCYCL，SCTRCYCL），該指令用于循環(huán)傳輸變量報文。其中，SCD_TRCYCL為指令屬性宏定義，表示該指令為循環(huán)發(fā)送指令；SCTRCYCL為通信配置結構體，包含6個H變量。

（2）_SBusComDef（SCD_REC，SCREC），該指令用于接收變量報文。其中，SCD_REC為屬性宏定義，表示該指令用于接收報文；SCREC為接受變量報文的參數(shù)結構體，包含3個H變量。

（3）_SBusComDef（SCD_TRACYCL，SCTRACYCL），該指令用于非循環(huán)發(fā)送報文。其中，SCD_TRACYCL為非周期發(fā)送指令屬性定義；SCTRACYCL為接受參數(shù)結構體，含4個H變量。

（4）_SBusComOn（），該指令用于中斷IPOS程序，并啟動SBus通信。

4 應用實例

4.1 項目簡介

基于SBus總線的多電機同步技術成功應用于國內(nèi)某大型場館的開合屋蓋項目。屋蓋沿縱軸線兩側分開，亦可向橫軸方向下滑打開或合攏運動，以實現(xiàn)兩側屋蓋的開合。屋蓋外廓與周邊玻璃幕墻形成完整的“橢球”（圖10）。

機械自控系統(tǒng)為非常規(guī)同步控制，兩側屋蓋采用對稱設計。其中屋蓋橫向升降機構為五電機聯(lián)動運行機構，單側5根大梁采用5臺變頻器同步驅動5臺電機的方式完成升降動作。既要求常規(guī)狀態(tài)下的同步運行，又要求鋼梁微動狀態(tài)下的各電機獨立運行。為了保證屋蓋正常的升降和開合，在程序中采用SBus同步控制耦合和檢測狀態(tài)解耦的編程思路，順利達到了控制要求，全行程往復控制精度在2 mm以內(nèi)。

4.2 控制系統(tǒng)結構和原理

在項目實際應用的多軸運動控制中，5臺升降機構采用變頻器主從同步控制。其中，一臺作為主動設備（主機），其他一起同步運行的設備將作為從動設備（從機），主機和從機之間通過SBus總線通信，在每個控制周期，主機的命令、位置實時傳給從機，從機接受主機的位置信號后，控制各自的速度，保證從機在位置上與主機保持一致；從機的狀態(tài)、位置實時反饋給主機，當主機判斷位置超差或是從機狀態(tài)報警時，發(fā)送命令停止所有同步設備。中央PLC（Programmable Logic Controller）通過現(xiàn)場總線實時監(jiān)控主、從機的位置，當任一個從軸位置與主軸位置出現(xiàn)超差時，系統(tǒng)停止工作，解除同步狀態(tài)，并對某一個誤差較大的軸進行單步操作，使得其誤差降至容許的范圍內(nèi)。同時中央PLC把相關設備位置、狀態(tài)、電流及速度信息通過以太網(wǎng)反饋到控制臺人機界面上，記錄設備運行的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)配置如圖11所示。

圖12所示的曲線為設備運行全行程變頻器速度及電流變化圖。曲線1為從變頻器速度，曲線2為主變頻器速度，曲線3為從變頻器輸出有功電流。從圖12可看出：在設備加減速階段，電流波動較明顯，但從變頻器和主變頻器速度基本一致，表明從變頻器通過SBus總線不斷調整速度實時跟蹤主變頻器；在設備運行穩(wěn)態(tài)階段，電流變化微弱，表明從變頻器和主變頻器設定運行的趨勢基本一致。

4.3 主從SBus同步通信編程

主從同步通信程序在變頻器中運行，IPOS程序如下。

（1）主機發(fā)送數(shù)據(jù)程序

_SBusMasterSend（）

{_SynchID.ObjectNo = 1090； // Describe the SEW standard structure：

_SynchID.CycleTime = 5；// Data object no. 1090 （sync telegram to be sent）

_SynchID.Offset = 0； // is sent on the SBus （cycle time 5 ms）

_SynchID.Format=0；

_SynchID.DPointer = 0；

_SynchID.Result = 0；

_PosSend.ObjectNo = 1100； // Describe the SEW standard structure：

_PosSend.CycleTime = 1； // Data obj.no. 1100 （32-bit master pos. to send/H511）

_PosSend.Offset = 0；// is sent on SBus （cycle time 1 ms， MOTOROLA format）

_PosSend.Format = 4；

_PosSend.DPointer = _VariableSBusSend； //Speed

_PosSend.Result = 0；

_SBusCommDef（SCD_TRCYCL， _SynchID）； // Setting up the transmit data objects

// for cyclical data transmission using

_SBusCommDef（SCD_TRCYCL， _PosSend）；// an SBus connection

_SBusCommOn（）； }

（2）從站數(shù)據(jù)接收程序

_SBusSlaveRecv（）

{ _PosRecv.ObjectNo = 1100；// Describe the SEW standard structure：

_PosRecv.Format = 4； // Data obj.no. 1100 （32-bit master pos. to be recvd.）

_PosRecv.DPointer = _VariableSBusRecv；// is sent to variable H_VariableSBusRecv

_SBusCommDef（SCD_REC， _PosRecv）； // Setting up a receive data object

// for cyclical data transmission using

// an SBus connection

_SBusCommOn（）；}

5 結語

SEW變頻器基于SBus總線通信的多電機同步技術具有獨特的優(yōu)勢和卓越的性能，內(nèi)置在變頻器中的IPOS編程靈活高效，可以方便實現(xiàn)變頻器的同步及自由運行模式切換；同時，編程和連接簡單，便于維護和后期的故障排查，能滿足實際項目的運行精度要求，被大量應用在涉及到設備多電機同步的精準位置控制場合中。

參考文獻：

[1] 鄧先榮. 天線伺服系統(tǒng)多電機同步控制方法[J]. 現(xiàn)代雷達，2005（6）：45-47.

[2] MOVIDRIVE? MDX61B Internal Synchronous Operation. 2012.