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    摘要：介紹了CAN總線與伺服電機的特點，運用伺服及其CAN總線技術實現的交流伺服運動控制系統，設計了整個控制系統的各個部分及其內部模塊。從硬件與軟件兩方面將其與一般的CAN總線控制系統相比較，體現出該系統各方面的特點與優勢。并討論了伺服電機基于CAN總線的通信控制特性。

0前言

    CAN現場總線是20世紀80年代末由德國Bosch公司為公共汽車系統設計的現場總線，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，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中的各檢測和執行機構之間的數據通信，是迄今為止唯一成為國際標準的現場總線，也是公認的全球范圍內最具前途的現場總線之一。由于CAN總線系統的特性,后來CAN總線廣泛地應用于過程工業、機械工業、紡織工業、農用機器、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域。1999年，6千萬個CAN總線控制器投入使用，2000年市場銷售超過一億個現場總線器件。CAN總線在工控領域興起應用熱潮。

    在印刷機械行業中，多電機的同步控制是一個非常重要的問題。由于印刷產品的特殊工藝要求，尤其是對于多色印刷，為了保證印刷套印精度（一般≤0.05mm），要求各個電機位置轉差率很高（一般≤0.02%）。在傳統的印刷機械中，以往大都采用以機械長軸作為動力源的同步控制方案，但機械長軸同步控制方案易出現振蕩現象，各個機組互相干擾，而且系統中有許多機械零件，不方便系統維護和使用。隨著機電一體化技術的發展，現場總線技術不斷應用到各個領域并得到了廣泛的應用。本文針對機組式印刷機械的同步需求，提出了一種基于CAN現場總線的同步控制解決方案，并得以驗證。

1CAN總線控制系統設計

    CAN是一種串行通信總線，采用CAN2.0A或2.0B通信標準，廣播式通信方式，多主結構，無損仲裁，有完善的錯誤檢測機制，自動重發機制。

    CAN具有技術先進、可靠性高、成本合理的特點，但CAN協議本身并不完整。其定義了數據鏈路層和部分物理層，為網絡中的CAN節點提供了一種廣播式報文分幀傳輸通道，其流量控制、節點地址分配、通訊建立等具體內容需要使用者自己實現，因而需要建立應用層協議。當前國外流行的CAN總線分布式運動控制系統應用層協議主要標準有：CANopen協議，DeviceNet和SDS。國內主要標準有iCAN等，在國內已實現400萬個節點。按照CAN總線協議，CAN總線可以是任意拓撲結構的，但一般來說，CAN總線主要采用：總線型、環型、星型和網狀型4種拓撲結構。

圖1基于CAN總線伺服運動控制系統結構

    基于CAN總線的運動控制系統如圖1所示，有兩個顯著的特點，第一是其控制對象為伺服運動控制對象，第二是其網絡化控制器包括CAN總線通信媒介和CAN控制器節點兩部分。

作為專門應用于工業自動化領域的網絡，CAN總線具有以下優點：

(1)使用簡單方便。

    許多CAN控制器芯片如SJA1000T、Philips82C250等實現了CAN物理層及數據鏈路層的大部分，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總線上的數據進行收發操作。

(2)高效可靠。

    CAN采用短幀結構，數據幀中的數據字段長度最多為8B，所以傳輸的速度快（最大通信速率可達1Mbps），受干擾的概率低。同時，CAN總線作為多主節點，各節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，保證了各種干擾環境下數據傳輸的安全可靠。

(3)系統可擴充性好。

    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上的節點非常方便和靈活，易于系統的擴充。

2同步控制系統設計

    考慮到印刷機中同步運動關系復雜，套印精度高、印刷機組點多、分散，多操作子站，印刷生產線長等特點，采用全分散、全數字、全開放的現場總線控制系統FCS，總線的選擇選用CAN總線。

    為了實現各個印刷機組的復雜同步關系，將主控制器和各個電機的伺服驅動器都掛接到CAN總線上，構成以印刷機控制器為核心的CAN現場總線系統，如圖2所示為同步控制系統圖。

    控制器和伺服驅動器都配有CAN總線控制器SJA1000和收發器PCA82C250的通訊適配卡，通過連接在印刷機控制器上的CAN通訊適配卡，控制器可以方便、快速的與各伺服驅動器通訊，向各個伺服單元發送控制指令和位置給定指令，并實時獲得各個伺服電機的狀態信息，按照需要實時地對伺服參數進行修改，各個伺服單元也可以通過CAN總線及時的進行數據交換。各個伺服驅動器在獲得自己的位置參考指令后，緊密的跟隨位置指令。由于控制器的位置指令直接輸入到各個伺服驅動器，因此每個伺服驅動器都獲得同步運動控制指令，不受其他因素影響，即任一伺服單元都不受其他伺服單元的擾動影響。在這個系統中，控制器和各個伺服驅動器都作為一個網絡節點，形成CAN控制網絡。同時，由于采用現場總線控制系統，可以根據印刷規模，擴展網絡節點個數。

圖2同步控制系統圖

3伺服電機接入CAN網

    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節點一樣，用普通雙絞線作為通信介質，很方便地連接到基于CAN總線的工業控制系統上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，伺服電機實時地將其運行狀態與運行信息上傳給伺服控制器。作為CAN總線上的節點，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、控制和參數設定命令；同時伺服控制器之間亦可以進行快速的數據交換，相互間建立一定的協調或控制關系。

    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，負責對整個系統的運行和工作狀態進行監視管理。由于CAN總線在工業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節點與上位主機之間的數字通信和協調管理。

4伺服電機選擇

    以卷筒紙印刷機為例，其負載轉動慣量很大，其中柔印機組為0.13kg·m2，膠印機組轉動慣量最大，為0.33kg·m2。

    由于系統定位精度要求≤0.03mm，考慮到負載的大慣量性，把控制周期定為2ms，要求位置環穩態誤差為±1個脈沖。根據定位精度和穩態誤差，可以折算出編碼器線數為17000線，可是考慮到在實際印刷過程中，要不斷調整不同機組的位置，如果編碼器分辨率選17000線，在調整印輥時，由于機組轉動慣量很大，將會產生很大的角加速度，進而產生很大的轉矩。例如對于膠印機組，調整角加速度超過700rad/s2，調整轉矩超過200N·m，一般的電機無法滿足要求。

    綜合考慮，選擇編碼器分辨率為40000線，這樣在調整過程中，減小了電機的調整加速度，進而減小了調整轉矩。例如在負載慣量最大的膠印機組中，調整角加速度為78.6rad/s2，調整轉矩為26N·m，凱奇電氣公司的90M系列伺服電機完全可以滿足要求。

5CAN總線的數據同步機制

    為了實現基于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，作為過程數據通道，進行過程數據的傳輸。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據傳輸。輸入功能塊CAN-IN1用于接收上位主機的數據信息，CAN-IN1有8B的數據空間可供用戶使用配置，可以向其他內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實際應用配置的CAN-IN1模塊發送命令信息，能實現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的數據空間可供用戶使用，可以通過配置向上位主機實時地提供電機的各種狀態信息、電機的實際速度、電機的實際相位等信息。

（1）硬件時鐘同步。硬件時鐘同步是指利用一定的硬件設施（如GPS接收機、UTC接收機、專用的時鐘信號線路等）進行的局部時鐘之間的同步，操作對象是計算機的硬件時鐘。硬件同步可以獲得很高的同步精度（通常為10-9秒至10-6秒）。

（2）同步報文授時同步。在每個通訊周期開始，主站以廣播形式發送一次同步報文。例如在SERCOS協議數據傳輸層中，每個SERCOS的通訊周期開始都以主戰發送的同步報文MST為標志。MST的數據域非常短，只占1個字節。MST報文的同步精度很高，如果用光纜做傳輸介質，同步精度可在4微妙之內。

（3）協議授時同步。協議授時也叫軟件授時，指利用網絡將主時鐘源，通過網絡，發給其他的子系統，以達到整個系統的時間同步性。通過計算從發出主時鐘信息到發送到目標節點接受該信息并產生中斷之間的時間差，可以得出延遲時間。然后通過延時補償來達到時間同步。軟件授時成本低，可由于同步信息在網絡上傳輸的延遲大且有很大的不確定性，所以授時精度低（通常為10-6秒到10-3秒）。

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部控制信號流，以及基于CAN的接口功能模塊和數據通道后，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，所以在上位機軟件的編制過程中，實現與CAN總線的通信部分可以直接調用相應的函數，如上位主機與CAN通信的主要任務：對CAN適配卡的初始化、CAN信息包的發送、CAN信息包的接收等，都有現成的函數可以使用，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，為正常通信作準備。實現CAN信息包的發送，首先要確定信息包的11位信息標識符，填入幀頭，并在數據域中填入需要發送的數據信息，通過發送函數發送給所有CAN節點或特定的CAN節點上。而對于使用接收函數所接收的CAN信息包，亦通過其11位信息標識符，判斷其來源，對數據域的數據進行處理，取得有效的信息，進行顯示或存儲，并按照控制需要發送控制指令。

7結論

    以CAN現場總線實現在控制器和伺服之間的通信。不僅克服了傳統機械長軸控制方案的各種機械元件帶來的缺點，而且還具有同步性能好、各伺服單元不互相干擾、控制精度高、維護方便等優點。伺服電機CAN接口的引入，提高了伺服電機的自動化水平，使伺服電機在工業控制網絡中的通信與控制更為方便、靈活和可靠。CAN總線在現代工業控制系統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。