徐 杰,金 海,鲁文其

(1.浙江理工大学,a.信息学院; b.机械与自动控制学院,杭州 310018; 2.浙江大学电气工程学院,杭州 310027)

基于CAN总线通信的双电机速度联动控制系统设计

徐 杰1a,金 海1a,鲁文其1b,2

(1.浙江理工大学,a.信息学院; b.机械与自动控制学院,杭州 310018; 2.浙江大学电气工程学院,杭州 310027)

针对传统电机控制系统通过模拟量方式控制灵活性不高、响应滞后、精确性不够以及零漂等问题,提出了基于CAN总线的双电机控制系统的设计方案。在此基础上设计了电机速度的单轴控制、双轴交替控制以及同步控制模式,搭建了双电机速度联动控制的实验平台,并且进行了多个控制模式的测试分析。实验结果显示:该控制系统结构简单、灵活性高、性能稳定、控制响应迅速,能实现对双电机的联动控制,是一种适合高端数控装备多电机驱动的工业自动化解决方案。

CAN总线; CANopen协议; 速度控制; 多轴联动; 电机; 控制系统

0 引 言

在现代机械制造中,特别在纺织机械、印刷机械、食品机械等大规模、自动化程度高的电机控制场合,多轴联动控制的应用越来越广泛,已经成为高性能、高品质机械制造的重要标志。在多轴联动控制系统设计方面,德国西门子840D、日本FUNAC、法国NUM等数控系统都走前列;国产自主研发的基于工业以太网的五轴联动高性能数控机床已经投入应用,但总的来说发展较国外滞后,多轴联动产品性能相对较差。

目前,国内多轴联动产品的控制方案大多采用模拟量控制方式,该方案利用模拟量的大小来控制电机的转速、利用模拟量的极性来控制方向,但这种方案存在控制灵活性不高、响应滞后、精确性不够以及零漂等问题[1]。随着现场总线技术的发展和成熟,将CAN现场总线技术应用于运动控制,构成分布式控制的多轴联动控制系统日益受到人们的重视[2]。

国内提出了许多CAN总线运用的实例,如马宏伟[3]将CAN总线运用于移动机器人的控制,通过搭建实验平台实现了对移动机器人的多轴控制;吕应明等[4]以带有CAN接口的PLC为主控制器,以单片机和CAN控制器等构成分布式控制终端节点,设计了一种基于CAN总线的分布式位置伺服系统并已成功应用于工程实践。本文应用CAN总线建立了双电机速度联动控制系统,设计了电机速度的多种控制模式,搭建了双电机速度联动控制的实验平台,进行多个控制模式的测试分析。

1 系统整体方案设计

本文设计的双电机速度联动控制系统主要由上位机运动控制器、下位机伺服驱动器(CAN-servo)和伺服电机组成,整体方案如图1所示。其中上位机运动控制器采用了步科的触摸屏和PLC,是整个系统的主控制器,除了对各节点伺服驱动器发送实时过程数据对象(PDO)控制命令外,还需要接收各驱动器节点的过程数据对象(PDO)工作状态信息、服务数据对象(SDO)确认信息以及节点监控和保护反馈信息,将信息传送给触摸屏进行实时显示,并根据从站的反馈信息通过CAN总线通信对伺服驱动设备实现控制[5-7];CAN总线的应用层协议采用CANopen协议,CANopen通信部分由DS301协议实现,伺服控制部分由DSP402协议实现;伺服驱动器作为CAN2接口CANopen的从节点,它通过CAN通信接口与CAN总线相连,具有CANopen的通讯功能,负责控制电机的转速、位置等对象;触摸屏作为CAN1接口CANopen的从节点,通过CAN通信接口与CAN总线相连,负责给运动控制器传输数据,并根据上位机运动控制器反馈的信息进行实时显示。

图1 系统整体设计方案

2 系统联动控制方案设计

本文根据不同工况需求,针对双电机速度联动系统设计了多种控制方案,包括单轴控制、双轴交替控制以及同步控制,其原理框图分别如图2、图3及图4所示。其中,速度单轴控制可以对两个电机独立的进行速度与运行时间控制;速度双轴交替控制通过对两个电机交替速度电机速度和时间的控制,以使两个电机按照预先设定的速度和时间交替运行;速度同步控制通过对两个电机同步参数的控制,使两个电机以相同的速度同步启停。

图2 单轴速度模式

图3 速度交替模式

图4 速度同步模式

3 系统软硬件设计

为了验证方案的正确性,本文搭建了实验平台,如图5所示。整个控制系统由触摸屏、PLC上位机、CAN总线、伺服驱动器和伺服电机构成。系统中所有的伺服驱动器的CAN接口都并行连接在CAN总线上,构成如图1所示的控制系统。当系统中有多节点同时向总线发送CAN信息时,根据CAN总线通信的仲裁机制对每条信息的标识符(ID)进行仲裁,通过ID决定占用总线的优先级,信息的ID越小优先级越高[8-9]。

设置伺服驱动器(CAN-servo)的参数时,两个伺服驱动器CAN通信节点参数号(Pn704)CANopen通信轴地址分别设置为1、2。参数号(Pn703.0)CAN通信速率设置为[4]500K,参数号(Pn006)进制位参中的Pn006.0总线类型设置为[3]CANopen通信。触摸屏参数配置时在HMI属性中选择现场总线配置,通信协议配置为CANopen Node Slave。波特率设置为500 K,与伺服驱动器波特率一致。

图5 基于CAN总线通信的双电机联动实验平台

步科F1系列PLC的软件开发环境选用CoDeSys,它是德国3S公司开发的一种可视化PLC编程环境。程序包含1个主程序和若干个子程序,主程序主要包含子程序的入口程序、代码初始化程序,子程序主要包含驱动器使能上电子程序、单轴模式功能子程序、双轴速度交替子程序和双轴速度同步子程序。

4 实 验

在本文搭建的平台上,对本文设计的3种联动控制方案进行测试分析。实验中伺服驱动器(CAN-servo)额定功率为0.75 kW,具有CAN通讯功能;伺服电机型号为增量编码型EMJ-08ADA22,额定功率为0.75 kW,最高转速为3 000 r/min。

实验中为每一个CANopen设备分配一个唯一的节点ID,从站分配的节点分别为节点1和节点2。由于伺服驱动器CANopen只支持4个发送PDO,4个接收PDO,每个PDO有最大8字节数据的限制,主要用于传输不超过8个字节并且实时性要求高的数据,如对象字典中的控制字、状态字等;服务数据对象(SDO)用于传输大于8个字节的数据并且实时性要求不高的大数据配置信息。实验中根据具体情况选择PDO或者SDO来传输数据。

4.1 单轴速度控制模式波形分析

式(4)中：α，β及K，T都与船舶的航速相关，且与船舶和舵的水动力性能有关；δf为非线性船舶模型的反馈项，其求取方法可参考文献[4]。

在单轴速度控制参数波形分析时,只对1号轴参数进行采集分析。实验中1号轴的速度值设置为1 000 rpm,运行时间为5 000 ms。

单轴速度控制时采集的波形如图6所示。从采集的波形中可以看出,在指令转速1 000 rpm时,电机均能较快地达到指定转速,响应迅速。电机的反馈速度值为1 000 rpm,速度曲线存在一定的波动,运行时间为5 000 ms,达到了转速和时间控制的要求。

图6 单轴速度模式采集的波形

4.2 双轴速度交替模式波形分析

实验中1号轴的速度值设置为1 000 rpm,交替运行时间为1 000 ms,2号轴的速度值设置为500 rpm,交替运行时间为2 000 ms,交替次数为5次。

图7为双轴速度交替模式采集的波形,从采集的波形中可以看出,1号轴在指令速度1 000 rpm,2号轴在指令速度500 rpm下电机均能较快地达到指定转速。从反馈波形图7(a)可以看出,1号轴运行时反馈速度值为1 000 rpm,存在较小的速度波动,交替运行时间为1 000 ms左右;2号轴运行时反馈速度值为500 rpm,存在一定的速度波动,交替运行时间为2 000 ms左右;1号轴和2号轴交替次数均为5次。在交替变化时刻,一轴停止到另外一轴响应的时间大约为150 μs,与实验采用CAN通信速率500 Kbps计算出的理论值128 μs一致,响应迅速。采用传统模拟量接口的双轴控制方式的响应时间大约为10 ms左右[10],可见用CAN总线通讯方式相对比传统模拟量接口控制方式在双轴控制响应时间上有一定的优势。

图7 双轴速度交替模式采集的波形

4.3 双轴速度同步模式波形分析

实验中同步速度值设置为1 000 rpm,运行时间为10 000 ms。

双轴速度同步模式采集的波形如图8所示。从采集的波形中可以看出,1号轴和2号轴在相同的指令速度1 000 rpm下均能较快地同步达到指定转速1 000 rpm。从反馈波形图8(a)可以看出,1号轴和2号轴均以1 000 rpm左右的转速同时运行了10 000 ms。在给1号轴和2号轴同时发送速度指令时,根据CAN总线的仲裁机制,高优先级的数据将会被优先发送。这里发送给1号轴的数据优先级高于发送给2号轴的数据,所以先是发送给1号轴速度指令,1号轴数据传递完毕然后再发送给2号轴速度指令,这之间的响应时间极短,约为64 μs。可见CAN总线数据传输的仲裁机制保证了控制中数据传输的可靠性、准确性,相对于传统模拟量接口控制方式有优势。

图8 双轴速度同步模式采集的波形

5 结 语

a) 本文针对传统基于模拟量接口电机控制系统存在的诸多问题,结合DS301和DSP402协议,设计了基于CAN总线的分布式双电机控制方案;

b) 设计了电机速度的单轴控制、双轴交替控制以及同步控制模式,搭建了双电机速度联动控制的实验平台,并进行了多个控制模式的测试分析;

c) 实验结果显示该控制系统结构简单、灵活性高、性能稳定、控制响应迅速,只要在CAN总线上增加多个伺服驱动器节点即可实现对多台伺服电机的精确控制,是一种适合高端数控装备多电机驱动的工业自动化解决方案。

[1] 苗 涛,曹云东.利用PLC模拟量控制伺服电机转速[J].机械与电子,2008,41(7): 82-85.

[2] 葛守峰,杜 馨,余胜利.PLC模拟量控制的应用[J].平顶山工学院学报,2007,16(5): 40-43.

[3] 马宏伟.基于CANopen协议的移动机器人多电机控制系统[J].工矿自动化,2009,10(10): 46-49.

[4] 吕应明,袁海文,邢军伟.基于CAN总线的分布式位置伺服系统设计[J].电子技术应用,2010 (3): 32-35.

[5] 江小玲,舒志兵.基于CAN总线多轴伺服电机的同步控制[J].机床与液压,2012,40(8): 140-142.

[6] 易灵芝,陈海燕,陆启湘.基于CANopen协议的伺服控制模式的实现[J].控制工程,2013,20(3): 50-52.

[7] 张 杰,舒志兵.基于CAN总线的分布式交流伺服系统研究与设计[J].控制工程机床与液压,2013,35(7): 87-89.

[8] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京: 清华大学出版社,1999.

[9] 陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京: 北京理工大学出版社,2002.

[10] 胡 涛,苏建良,石剑锋.PLC技术与应用及其发展分析[J].机床与液压,2005,36(8): 135-137.

(责任编辑：康 锋)

Double-Motor Speed Linkage Control System Design Based on CAN Bus Communication

XUJie1a,JINHai1a,LUWen-qi1b,2

(1a.School of Information Science and Technology; 1b.School of Mechanical Engineering & Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China; 2.School of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310018,China)

Since traditional motor control system is controlled through analog quantity mode,it has such problems as low flexibility,response lag,insufficient accuracy and zero drift.In view of the above problems,this paper puts forward double-motor control system design scheme based on CAN bus.On this basis,we design single-axis control of motor speed,dual-axis alternating control and synchronous control mode,set up an experiment platform for double-motor speed linkage control and carry out test and analysis of multiple control modes.The results show the control system has simple structure,high flexibility,stable performance and quick control response,and can achieve linkage control of the double-motor.It is a kind of industrial automation solution suitable for multi-motor drive of high-end CNC equipment.

CAN bus; CANopen protocol; speed control; multi-axis linkage; motor; control system

1673-3851 (2015) 02-0209-05

2014-08-05

国家自然科学基金青年科学基金项目(51307151);浙江省自然科学基金一般项目(LY13E070005);浙江省博士后科研择优资助项目(BSH1402065)

徐 杰(1989-),男,浙江建德人,硕士研究生,主要从事伺服电机控制方面的研究。

鲁文其,E-mail:luwenqi@zstu.edu.cn

TS103.234

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