机器人资料-论文-001CAN总线技术在数字伺服系统中的应用.doc

!驱动控制#$% &( )*+*,2005 年第 7 期can 总线技术在数字伺服系统中的应用蔡春伟1，张华强1，任秀云1，王凤云2（1. 哈尔滨工业大学，山东威海 264209；2. 山东省农业科学院，山东济南 250100）application of digital ac servo system based on can bus technologycai chun - wei1，zhang hua - qiang1，ren xiu - yun1，wang feng - yun2（1. harbin institute of technology，weihai 264209 ，china；2. shandong academy of agriculture science，jinan 250100，china）摘要：研究了 can 总线在数字交流伺服系统与运动位移量，通过串行总线传送到相应的伺服单元，即可控制中的应用，探讨了伺服电机驱动与多轴运动控制中实时完成位置控制和速度控制。位置、速度、力矩等反馈网络控制问题，介绍了一种基于 can 总线技术的数字交流信息也可通过串行口送回主计算机，用于显示坐标伺服系统及其结构原理和软、硬件设计。轴位置、跟随误差等，这是一种分布式运动控制系统。关键词：数字伺服驱动；can 总线；运动控制；dsp 电机控制中图分类号：tm383. 4 文献标识码：a文章编号：1004 - 7018（2005）07 - 0040 - 03abstract：the application of digital ac servo system and图 1 数控与伺服通讯网络接口kinetic control system based on can bus technology is investiga-ted. real - time network control issues of servo - actuator drive数字伺服与数控系统之间传输的数据可以分为实时性数据信息和非实时性数据信息两类。实时性and multi - axes kinetic control is discussed. a digital ac servosystem based on can bus technology is presented. its structure数据指参与实时位置、速度、转矩控制的指令和实际principle，hardware and software design are introduced.keywords：digital servo - drive；can bus；kinetic control；反馈信息，这类数据的传输速度要求较高。而非实时性数据主要是参数设置、功能设定、诊断功能、伺dsp machine control服状态与报警等，对传输速度的要求相对较低一些。1 前言多伺服系统在实际生产过程中的应用相当广rs232（422、485）串行通讯应用广泛，但其通讯速度较低。因此，各种工业现场总线技术引起了人们 的 关 注，主 要 有can、sercos、profibus、lon-泛，如配料、传动等生产过程，需要多台伺服电机驱动，伺服电机的控制性能和多台电机间协调控制的好坏直接影响着生产过程的质量。如何方便管理、控制多伺服电机系统是生产领域亟待解决的问题，因此提出了基于 can 总线技术的数字交流伺服系works、interbus 等。本文讨论 can 总线用于数字伺服与数控系统的接口连接，介绍了系统的组成结构、工作原理和软件、硬件设计。统。总线现场总线技术解决了传统总线插板 i / o 模块2 can 总线技术简介技2. 1 can 总线的特点多，干扰严重、系统软件编写复杂、系统硬件兼容性术在差等问题。减轻现场信号连接的繁琐与费用，提高数字了信号传输的精度与灵活性，给安装、调试和维护带伺来方便，为现场用户带来巨大的经济效益，代表着自can 属于现场总线（ field bus）的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。can 总线中各节点都有权利向其它节点发送服系动化领域发展的一个重要方向。信息。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，主统中的数字伺服系统实现位置、速度、力矩（ 电流）三要特点有：（1）can 总线上任意一个节点均可在任意时应环控制，如图 1 所示。控制器参数，如位置、速度、力用矩等运行参数设置与功能设置通过串行接口传送到伺服系统。数控系统上位机计算出每个插补周期的刻主动向网络上的其它节点发送信息，而不分主、从，通讯灵活；（2）can 总线上的节点可分成不同的优先级，40收稿日期：2004 - 11 - 09以满足不同的实时要求；2005 年第 7 期驱动控制!#$% &( )*+*,（3）can 总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传送数据；（4 ） can总 线 具 有 点 对点，一点对多点（ 成组）及 全 局广播传送数据的功能；（5）can 总线通讯距离最远可达 10 km，通讯速率最高可达 1 mbps（ 距离小于 40 m）；（6）can 总线上的节点数可达 110 个；（7）can 总线上每一帧的有效字节数为 8 个，这样传输时间短，抗干扰能力强；（8）can 总线每帧信息都有 crc 校验及其它校验措施，数据出错率低，可靠性高；（9）can 总线节点在故障的情况下，可自动切图 2 f243can 控制器模块结构图器有自动重发功能；（9）总线错误诊断功能；（10 ）自诊断功能。3 数字伺服系统网络硬件与软件设计3. 1 dsp can 接口电路设计断它与总线的联系，以使总线上的其它操作不受影响。使用 can 总线技术将伺服驱动和主控系统连成现场控制网络。主控系统上位机采用研华公司pcl - 841 卡实现 can 总线通讯，伺服驱动系统采目前国内市场上已有相应的 can总线通讯接口卡，该卡完成 iso / osi参考模型中的物理层和数用 tms320f2407 片内 can 控制器。据链路层两层功能，如数据打包、拆包、发送、接收、校验、编码、解码等，用户只需开发应用层和用户层相应软件即可。2. 2 dsp can 控制器tms320f2407 是 ti 公司新一代 16 位定点 dsp芯片，用 于 数 字 电 机 控 制 和 嵌 入 式 控 制 器。片 内can 模块是一个完全的 can 控制器，其结构框图tms320f2407dsp 芯片的 can 总 线 控 制 器 与can 物 理 总 线 的 接 口 采 用82c250驱 动 器 芯 片。82c250 采用阻抗为 120 双绞线作通讯介质，信号采用差动接收和发送，抗干扰能力强，最高通信速率可达 1mbps。通过对 82c250引脚 8（ rs）的不同连接，可以实现三种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机。本系统采用斜率控制，以降低射频干扰。为 了 增 加 抗 干 扰 能 力，保 护can控 制 器，在如图 2 所示。can 模块是一个 16 位外设，有控制 /状态寄存器的访问和邮箱的 ram 访问两种方式。tms320f2407 与 82c250之间 加 高 速 光 电 隔 离 器，光电隔离器采用 hp 公司 hcpl - 2630 芯片，速度该 can 控制器具有如下特性：（1）全面兼容 can 2. 0b 协议，具有标准和扩展标识符且有数据帧和远程帧；（2）对象有 6 个邮箱（ mbox0 5），其长度为 0为 10mhz，电路如图 3 所示。总线 8 个字节。它们是 48 16 位的 ram 区，cpu 或can 可按16位读 或 写。每 个 邮 箱 为 8 16位 的ram，邮箱 0、1 只用作接收，邮箱 4、5 只用作发送，而邮箱 2、3 可用作接收或发送；图 3 can 驱动器接口电路3. 2 can 控制器软件设计技术在数字伺服（3）对邮箱 0、1 和 2、3 有局域接收屏蔽寄存系器；对于 can 网的实现，智能终端（ 即 can 节点）统中（4）可编程的位定时器；软件设计主要包括两大部分，即通信网络的应用层的应（5）中断配置可编程；（6）可编程的 can 总线唤醒功能；（7）自动恢复远程请求；（8）当发送出错或仲裁丢失数据时，can 控制协议和节点实现功能的流程和编码。3. 2. 1 邮箱初始化配置初始化包括对管脚的配置、波特率的设定、邮箱的收发配置等。首先，配置 mcrb 寄存器，将 iopc6用41!驱动控制#$% &( )*+*,2005 年第 7 期发送程序只需要设定发送控制寄存器的相应位和 iopc7 引脚配置成特殊功能，即 canrx 和 ca-ntx；其次，配置 mder 寄存器，即配置邮箱的使能即可实现发送。接收程序要完成：和邮箱 2 3 的功能；最后，对屏蔽 id 寄存器进行配置，可以屏蔽任意位的 id。这种寄存器只对接收邮（1）读取已接收的邮箱标识符格式；箱起作用。（2）读取接收的标识符；3. 2. 2 波特率设定（3）读取接收的数据长度；波特率设定主要和 3 个寄存器有关：scsr1（ 系（4）读取接收的数据值。统控制和状态寄存器 1）、bcr1（ 位配置寄存器）和bcr2（ 位配置寄存器 2）。在配置之前，明确要实现的波特率和晶振频率。要注意的是在对位定时器进行配置 时，can控 制 器 必 须 处 于 复 位 模 式 下，即ccr = 1。3. 2. 3 邮箱的收发配置在进行数据域改变之前，首先要禁用邮箱，然后置位数据域，改变请求。再设置邮箱 id 和信息控制寄存器。若是发送邮箱，则在数据域存放预发送数据；若是接收邮箱，则清空接收缓存。3. 2. 4 监控主机的软件用一台工控机作为监控机，通过适配卡与 can连接。在监控机上用 vc 6. 0 编写监控的操作软件，并且把监控机作为局域网上的一台操作服务器，用户通过它可以对各个模块进行操作。4 结语can 总线具有功能特性好、可靠性高、抗干扰能力强且经济实用，是一种很有前途的现场总线。它的应用将为分布式运动控制提供一种新的解决方邮箱中 断 设 置 can 模 块 专 属 中 断 寄 存 器 有案，会受到人们越来越多的重视。新一代的智能数can-ifr 和 can-imr，使用方法与一般的中断寄存器相同。但 tms320lf2407a采用了二级中断方式，高优先级模式的 can 邮箱中断对应 int1，高优先级 can 错误中断对应 int2；而低优先级的 can字伺服系统通过 can 总线与开放式数控系统互连，是运动控制领域发展的一个重要方向。参考文献1 shiu - yung lin. distributed motion control using real - time邮箱中断和 can 错误中断都对应 int5。所以在程network communication techniquesc. proc. ipemc，2000，2：843 847序中也要开放对应的一级中断。接收帧 id 的读入2 zhang dongliang. dsp - based software ac servo systems with在接收事件中，通常一个邮箱要接收多节点帧。因pm synchronous motorsc. proc. icems，2001，2：755 758此，信息帧 id 的读出也很重要。不管有没有屏蔽，3刘和平. tms320lf240x dsp 结构、原理及应用 m. 北京：北接收了的信息帧的 id 会被置入 msgidnh 和 ms-京航空航天大学出版社，2002gidnl。但事实上，该接收邮箱的 id 并没有改变。实验程序使用邮箱 2 接收，邮箱 3 发送。通讯软件可以采用查询方式或中断方式，主要包括 can4郇极. 开放式数控系统的数字伺服接口和通讯协议 j. 中国机械工程，1998，95）：20 225 overmars ah，toncich dj. application of dsp technology toclosed - position - loop servo drive systemj. international控制器的初始化程序、接收邮箱与发送邮箱设置、发journal of advanced manufacturing technology，1996，11（1）：总线送程序、接收程序，程序框图如图