基于CAN總線的三軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)*

大連大學(xué)信息工程學(xué)院 葛家安 胡玲艷 王維壯 毛銀杰

工業(yè)4.0和中國制造2025已成為當(dāng)今熱點(diǎn)主題，自動(dòng)化生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展與崛起極大地提高了生產(chǎn)效率，PLC與運(yùn)動(dòng)裝置的廣泛使用，將人從繁重的勞動(dòng)中解放出來。同時(shí)伴隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式逐漸被現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字技術(shù)所代替，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)組網(wǎng)更加快捷、高效。CAN總線為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了有力的技術(shù)支持。本文基于CAN總線自主設(shè)計(jì)的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，利用多主方式、非破壞性仲裁技術(shù)、CRC校驗(yàn)及實(shí)時(shí)錯(cuò)誤校驗(yàn)等技術(shù)，完成現(xiàn)代多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總線集成，通過CAN總線與PLC可控制多個(gè)步進(jìn)電機(jī)同步、精確運(yùn)動(dòng)，性價(jià)比高，對(duì)實(shí)際工業(yè)定位系統(tǒng)具有較強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國內(nèi)開始引進(jìn)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，盡管一些研究數(shù)控設(shè)備的廠商開始研制運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，但研制出來的系統(tǒng)仍不屬于獨(dú)立的精確運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，我國到21世紀(jì)國內(nèi)才開始多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)和推廣，并逐漸走向成熟和規(guī)模化。當(dāng)前，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)日益受到世界各國的高度關(guān)注，德國的西門子、日本的三菱、中國臺(tái)灣的臺(tái)達(dá)等公司也研制出來了各式各樣的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，成為了機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)概況

本文利用CAN總線自主設(shè)計(jì)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，選用三軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊及電機(jī)，基于CAN總線技術(shù)，采用西門子S7-1200PLC對(duì)步進(jìn)三軸電機(jī)的精確控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過西門子TIA博途編程軟件編寫程序，在參數(shù)設(shè)置方面，系統(tǒng)由昆侖通泰MCGS觸摸屏實(shí)現(xiàn)組態(tài)監(jiān)控與人機(jī)交互，針對(duì)不同的功能動(dòng)作，設(shè)置不同的參數(shù)，并顯示監(jiān)控的參數(shù)狀態(tài)。針對(duì)系統(tǒng)控制，有控制面板實(shí)體按鍵和觸摸屏組態(tài)按鍵兩種不同的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC控制信號(hào)的輸入進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)，停止與復(fù)位。整個(gè)系統(tǒng)使用CANopen總線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,搭建起PLC與運(yùn)動(dòng)部分的通信通道。通過TIA博途編程軟件進(jìn)行編程并下載到設(shè)備，通過上位機(jī)對(duì)參數(shù)讀取與寫入，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以達(dá)到精確點(diǎn)位控制的目的。

1.1 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)利用西門子PLC的各功能模塊實(shí)現(xiàn)綜合控制，結(jié)合上位機(jī)、人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施系統(tǒng)化監(jiān)控管理。PLC作為系統(tǒng)的控制器，結(jié)合各功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的直接控制，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。系統(tǒng)通過光電傳感器以及控制按鈕產(chǎn)生的信號(hào)作為PLC輸入信號(hào)，經(jīng)PLC輸出信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在由驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)總控制流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總控制流程Fig.1 Overall control flow of the system

傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)裝置如果要用PLC對(duì)一個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，除必要的電源線和電機(jī)驅(qū)動(dòng)線之外，最少還需要接多根線才能使一臺(tái)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器正常工作。并且，要想對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，則每個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器還要額外再接多根線，可想而知，會(huì)造成工作量的加大，增加工作時(shí)間和空間上的資源占用，造成資源的浪費(fèi)。

若在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)裝置上采用CAN總線的技術(shù)進(jìn)行控制，在裝置上連接的幾十根線就可以換為1根CAN通訊線，通過CAN總線方式連接進(jìn)行控制，這種控制方式不光能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，而且還能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，大大減少了線束的限制、時(shí)間的浪費(fèi)以及空間上的節(jié)約，避免了資源的浪費(fèi)。

1.2 步進(jìn)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)步進(jìn)的電氣要求，給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器供24V的電源使驅(qū)動(dòng)器正常工作。給驅(qū)動(dòng)器的P+端口和R+端口同時(shí)供給5V電源，使驅(qū)動(dòng)器能夠識(shí)別脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)工作。給驅(qū)動(dòng)器的P-連接PLC的Y0輸出，來接受脈沖數(shù)指令；給驅(qū)動(dòng)器的R-連接PLC的Y1，來接受脈沖方向指令，P-與R-共同作用來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及運(yùn)行時(shí)的速度和加速度。

1.3 PLC電路設(shè)計(jì)

根據(jù)PLC的電氣要求，要給PLC供24V電源使PLC正常工作；將CAN通訊口與驅(qū)動(dòng)器連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。將Y0與Y1連接到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器上，給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器提供脈沖。最后將輸入點(diǎn)X接到開關(guān)上，來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

1.4 CAN總線的優(yōu)勢(shì)與利用

CAN總線被細(xì)分為CAN總線數(shù)據(jù)對(duì)象層（The Object Layer）、CAN總線數(shù)據(jù)傳輸層（The Transfer Layer）和CAN總線物理層（The Physical Layer）三種結(jié)構(gòu)層次，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)CAN總線的工作方式為多個(gè)主站共同工作的方式，即不分主站和從站，通信方式比較靈活。

(2)CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息根據(jù)標(biāo)識(shí)符的大小被分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性的要求。

(3)采用仲裁技術(shù)，當(dāng)總線中同時(shí)存在有多個(gè)數(shù)據(jù)信息時(shí)，根據(jù)標(biāo)識(shí)符所定義的數(shù)據(jù)信息的優(yōu)先級(jí)的高低，從優(yōu)先級(jí)高到低次序依次發(fā)送數(shù)據(jù)信息，使總線避免出現(xiàn)因數(shù)據(jù)信息超載而出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況且使CAN總線具有非破壞性仲裁的功能。

(4)CAN總線的報(bào)文可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)一發(fā)送、一對(duì)多發(fā)送、全局廣播發(fā)送方式。

(5)CAN總線的通信速率最高可達(dá)1Mbit/s，此時(shí)通信距離為40m。

(6)CAN總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于驅(qū)動(dòng)電路，在總線中目前最高可以達(dá)到接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，過遠(yuǎn)距離的傳輸可以使用CAN總線驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

(7)CAN總線采用短數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臅r(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)，檢錯(cuò)效果好，能很好地保障總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(8)在CAN總線出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤報(bào)警時(shí)，總線還可自動(dòng)關(guān)閉輸出功能。

本文充分利用CAN總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)不同驅(qū)動(dòng)設(shè)備之間的總線通信，實(shí)時(shí)性、可靠性強(qiáng)，節(jié)省設(shè)備I/O點(diǎn)的資源。CAN總線中具有的CRC校驗(yàn)場(chǎng)最大程度的保證了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。CRC校驗(yàn)場(chǎng)場(chǎng)包括CRC序列、CRC界定符。CRC序列由循環(huán)冗余碼求得，其中，CRC界定符只包含了一個(gè)隱性的Bit，發(fā)送、接收數(shù)據(jù)場(chǎng)的最后一位，CRC－RG包含CRC序列。

2 創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是靠接收脈沖電流來實(shí)現(xiàn)速度、位置和方向的控制，脈沖的多少?zèng)Q定步進(jìn)電機(jī)的位置，脈沖的速率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖的方向決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。現(xiàn)在大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)的控制方式就是用PLC發(fā)脈沖給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。脈沖型方式已經(jīng)存在了幾十年，對(duì)于一些應(yīng)用要求比較高的場(chǎng)合，如在運(yùn)動(dòng)過程中需要力矩模式，脈沖型是無法對(duì)電機(jī)電流做到控制從而調(diào)整力矩，而總線型就可以做到。脈沖型已經(jīng)不能滿足需求，需要總線型來控制。

系統(tǒng)需要使用多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的，如果使用脈沖型一是不好控制，一個(gè)PLC最多也就可以控制六七個(gè)軸，電機(jī)一多就需要多個(gè)上位機(jī)，對(duì)空間體積要求比較大，而大多醫(yī)療器械體積就比較小巧緊湊，二是電機(jī)多了脈沖型布線很難，線路一多就存在信號(hào)干擾問題導(dǎo)致設(shè)備不穩(wěn)定。如果使用總線型就只需要兩根信號(hào)線和電源線把所有電機(jī)串聯(lián)起來，設(shè)計(jì)和安裝都非常方便，也不會(huì)存在大量布線的信號(hào)干擾問題。

總線型方式相對(duì)于脈沖型不僅僅是體積上面小巧很多，控制程序的編寫也會(huì)相對(duì)于PLC梯形程序簡單許多，而且還能做到電機(jī)電流、電壓、溫度、堵轉(zhuǎn)等的時(shí)時(shí)反饋，電流、細(xì)分的時(shí)時(shí)改變，s形加減速、模擬量、同步指令、離線控制等的簡單控制。總線型對(duì)于脈沖型來說有很多新的功能特點(diǎn)，總線型是未來步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展方向和趨勢(shì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)實(shí)物圖Fig.2 Physical design

3 結(jié)語

本文基于CAN總線技術(shù)采用西門子PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮實(shí)現(xiàn)多種不同功能，進(jìn)行選材設(shè)計(jì)。研究了在多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用CAN總線技術(shù)是具有可行性的系統(tǒng)。對(duì)比于傳統(tǒng)的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，大大節(jié)約空間和時(shí)間，減少了資源的浪費(fèi)，同時(shí)增大了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。使用CAN總線的系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)的系統(tǒng)，也增加了實(shí)時(shí)性、可靠性及控制方式的靈活多樣性。本設(shè)計(jì)可節(jié)省系統(tǒng)I/O點(diǎn)的資源，不再局限于控制器的帶負(fù)載量，進(jìn)而系統(tǒng)有更強(qiáng)的擴(kuò)展性，充分適應(yīng)現(xiàn)代化系統(tǒng)的多樣性與需求，也為后續(xù)對(duì)使用CAN總線的控制系統(tǒng)的研究提供了一定的研究參考。