基于CAN總線的搖桿轉臺伺服控制系統設計

李 唐，陳 年，史曉勇,沙旭南

(中船重工海博威(江蘇)科技發展有限公司,揚州 225000)

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基于CAN總線的搖桿轉臺伺服控制系統設計

李 唐，陳 年，史曉勇,沙旭南

(中船重工海博威(江蘇)科技發展有限公司,揚州 225000)

針對搖桿轉臺的結構和控制性能要求，設計出了基于控制器局域網(CAN)總線的多軸伺服控制系統，描述了該系統的總體組成結構和工作原理。搖桿轉臺系統為包括大俯仰、大方位、小俯仰和小方位在內的四軸運動，該多軸伺服控制系統控制方式選用現場可編程門陣列(FPGA)控制板作為主站，施耐德伺服驅動器作為從站，威綸通顯示屏作為人機界面，通過FPGA控制板訪問伺服控制器的對象字典，從而實現對驅動器的控制，獲取總線上各節點控制器狀態，并將系統各節點狀態時時傳送給顯示屏。結合大方位軸在點到點運行模式的實例，闡明了這一系統的具體實現方法。結果表明，該系統運行良好，能夠滿足多軸伺服系統的控制要求。

CAN總線；多軸伺服；現場可編程門陣列；對象字典

0 引 言

控制器局域網(CAN)總線由于其高性能、高可靠性及獨特的設計,具有較強的抗干擾能力,適合用于實時性要求很高的系統[1]。伺服系統是搖桿轉臺控制系統中的重要組成部分,它的特性對安裝在轉臺前端部的天線的整體性能起關鍵作用，應用CAN總線技術可以很好地解決控制系統中對多站點的數據交換、通訊干擾等諸多問題,有利于提高負載天線跟蹤系統的可靠性，同時系統可以方便地增減節點，具有擴展性。

該搖桿轉臺系統分為基座轉臺和天線轉臺兩部分。基座轉臺包括大方位軸和大俯仰軸；天線轉臺包括小方位軸和小俯仰軸。基座轉臺在桁架尾端，天線轉臺電機在桁架最前端，天線安裝在小俯仰軸平臺上。該搖桿轉臺外形結構如圖1所示。

圖1 搖桿轉臺外形結構

基座轉臺和天線轉臺方位旋轉角度要求均為-180°～+180°，俯仰旋轉角度要求均為0°～+80°，轉臺旋轉速度均為10°/s以上。天線系統上位機下發指令周期為100 ms，角度變化不超過1°。如何建立該控制系統成為一個急需解決的課題。這里提出以CAN總線為總線形式，以CANopen協議為核心搭建多軸伺服控制系統，著重闡述搖桿轉臺伺服控制系統原理，并結合大方位軸在點到點運行模式的實例，闡明這一系統的具體實現方法。

1 伺服系統總體組成

CAN總線可根據總線驅動能力支持100個以上節點，具有接口簡單、傳輸速率高、實時性好、抗干擾能力強等特點，非常適合伺服系統多節點、高實時性的要求[2]。

因為遙感轉臺有4個軸，數據交換速度快，符合多節點、高實時性的特點；所以考慮采用控制器與節點的控制方式，控制器與節點之間采用CAN總線進行通信，接口協議為CANopen，采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質。控制器為FPGA控制板，控制板將接收的上位機角度命令，經過處理后通過總線形式立即發送控制命令給各節點驅動器，命令各軸電機

動作相應角度；同時控制板接收各驅動器節點的相關狀態，將實際數據實時傳輸給上位機和顯示屏。根據負載要求，4個軸選擇帶有CAN總線的施耐德BSH伺服電機，驅動器型號為匹配的LXM32A系列伺服驅動器。

該伺服系統中，控制器與上位機之間接口為網絡接口，接口協議為自定義；控制器與顯示屏之間接口為串口，接口協議為自定義。伺服控制系統的總線式網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 網絡拓撲結構

2 系統軟件設計

服務數據對象(SDO)[3]屬于直接數據交換模式，它傳輸的數據一般為運動模式(位置、速度、找原點等)，根據各自系統設計特點，用戶可以靈活地設置運動模式。工作模式一旦設定了，一般是不會立即更改的，更改與否是根據客戶的需求來的，所以可以說通信并不是周期性的。SDO通過使用索引和子索引來訪問設備的對象字典(OD)。協議屬于確認服務類型[4]。SDO通訊用于主節點對從節點對象字典的讀寫訪問，以實現對從節點參數的設置。在電機使能、設置工作模式、設定模式速度時，分別訪問如表1所式的對象字典。

表1 對象字典

伺服控制板采用可編程片上系統(SOPC)技術，在1塊Cyclone II 現場可編程門陣列(FPGA)中實現1個32位的可配置軟核——NIOS II核，控制板將通過CAN總線將控制命令傳送給電機驅動器。CAN控制器由內嵌于NIOS II核中的串行模塊進行控制。施耐德電機驅動器完成電流環和速度環的控制，位置環的控制在FPGA中完成。控制程序原理框圖如圖3所示。

圖3 程序框圖

3 大方位點到點運行示例

3.1 點到點運行模式

點到點運行模式也稱為特征曲線定位的運行模式。這種模式僅可通過現場總線的方式來執行。在設定目標位置時有相對位置和絕對位置2種方式。2種方式均可以使用加速斜坡和減速斜坡以及最終速度參考值來設置運動曲線，在執行相對運動時，運動以上次目標位置或者當前電機位置為參考；執行絕對運動時，因為執行的絕對運動是完全以零點為參考的，所有在首次執行絕對定位之前，必須通過Homing模式來定義零點[5]，實際使用中，將轉臺先機械調零，然后記下當前編碼器值，將該值定位零點[6-9]。

3.2 大方位運行示例

大方位節點為1，波特率為1 Mbps，BSH系列伺服電機本身配有多圈絕對值編碼器，精度為25位，具有慣量低、精度高、電流環響應快速的特點。大方位軸齒輪比為25∶104，減速器減速比為256。設置電機轉速為2 000 rpm時，實際轉臺穩定速度為11°/s。在NIOS編程軟件中寫入指令代碼：

pid_int_en();

OSTimeDly(700);

mcpinit();//CAN初始化

goop0(1);//開始遠程節點;

drive_en();

CAN_MODE_SEL(1);//使用點到點特征曲線模式

ppn_target(2000);//設置位置特征曲線模式的速度

while (1)

{

dwjd_enc=(float)dwjd*RATIO+ZERO_OFF;

//轉換成電機編碼器的角度

ppp_targetusr(dwjd_enc);

pp_start(3);//啟動定位

pp_start(2);

}

Somove是施耐德電機上位機調試軟件，具有實時顯示電機參數功能，故在scope中添加參數p_act(實際角度)、I_act(實際電流)和n_pact(實際轉速)，記錄BSH電機在點到點模式下的運行曲線。從而判斷該伺服系統能否滿足系統設計要求。上位機下發指令通過1個帶串口的觸摸屏模擬。

3.3 伺服系統試驗結果

實驗結果如圖4所示。圖4(a)是下發角度與時間的曲線，目的是讓轉臺在0°與30°之間往返運動，橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為下發角度，單位為°。圖4(b)上面曲線為電機實際位置與時間的曲線，橫坐標為時間，單位為s，縱坐標表示電機運行位置，單位為usr_p；中間曲線是電機實際轉速與時間的曲線，橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為轉速，單位為1/min；下面曲線是電機實際電流與時間的曲線，橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為電流，單位為Arms(平均電流單位),標定的大方位零點位置編碼器值為24557988usr_p。

圖4 伺服系統試驗結果

如圖4可見，該系統下，當大方位下發角度周期為100 ms、每次角度變化為1°時，大方位實際可以跟上下發的角度指令，其他軸的運動方式與大方位一致。該系統運行良好，能夠滿足搖桿系統的要求。人機界面如圖5所示。

圖5 人機界面

4 結束語

隨著機械行業的快速發展，伺服控制精度、穩定

性和實時性要求也是越來越高，基于CAN現場總線的伺服系統的應用可以解決上述難題。本文通過對施耐德伺服系統、SOPC技術、人機界面技術整合方案，主要包括施耐德BSH伺服電機、FPGA伺服控制板、LXM32A驅動器和威綸通人機界面的研究，給出了搖桿轉臺四軸伺服系統中利用CAN總線的方式實現控制功能，同時結合大方位軸在點到點運行模式的實例，闡明了這一系統結構的具體實現方法。研究表明，該方案滿足實際控制要求，解決了4臺伺服電機聯動的功能，該系統運行可靠，抗干擾能力強。

[1] 童中華.基于CAN總線的伺服控制系統的研究[D].武漢：武漢科技大學,2008.

[2] 安斌,賈銳.CAN總線在無人飛行器伺服系統中的應用研究[J].測控技術,2009(4):62-64.

[3] 李幼涵.伺服運動控制系統的結構及應用[M ].北京:機械工業出版社,2006.

[4] 鄧遵義,寧祎.CANopen協議剖析及其在伺服電機控制中的實現[J].機電工程,2007,24(8):39-41.

[5] 劉興磊.基于現場總線的碼垛機器人控制系統研究[D].上海：東華大學,2010.

[6] 宋曉梅,賈佳. CANopen協議在伺服電機控制系統中的實現[J].單片機與嵌入式系統應用,2006(6):5-7+20.

[7] 曾武.CANopen協議在伺服控制系統中的應用研究[D].湘潭：湘潭大學,2014.

[8] 付明立,周鳳星,張紅霞.CANopen總線在多軸伺服系統中的應用[J].機電工程,2008(1):69-71.

[9] 宋小倩.基于CAN總線的分布式電機控制系統研究[D].淮南：安徽理工大學,2012.

Design of Servo Control System for Rocker Turntable Based on CAN Bus

LI Tang,CHEN Nian,SHI Xiao-yong,SHA Xu-nan

(CSIC Hebowi (Jiangsu) Technology Development Co. Ltd.,Yangzhou 225000,China)

According to the structure and control performance requirements of the rocker turntable,this paper designs a multi-axis servo control system based on controller area network (CAN) bus,and describes the overall structure and working principle of the system.This system does four axis motion including a large pitch,a large azimuth,a small pitch and a small azimuth.The multi-axis servo control system uses field programmable gate array (FPGA) control board as the main station,Schneider AC servo driver as slave station,Weinview touch screen as the man-machine interface,accesses the object dictionary of the servo controller through the FPGA control panel,so as to achieve the control of the drive,fetches the status of bus node controller,and transmits the status of each node in the system to the display.Combining with examples of large azimuth axis in point-to-point running mode,this paper expounds the concrete realization method of the system.The results show that the system works well and can meet the control requirements of multi-axis servo system.

controller area network bus;multi-axis servo;field programmable gate array;object dictionary

2016-06-06

TN820.3

B

CN32-1413(2016)04-0117-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.026