1、引言

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備—電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象， 以控制器為核心， 以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。在電氣時(shí)代， 電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。在近年來(lái)， 由于半導(dǎo)體制造設(shè)備等相關(guān)的電子制造設(shè)備市場(chǎng)大幅成長(zhǎng)， 而使得機(jī)器設(shè)備上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)了以下幾點(diǎn)技術(shù)需求：

（ 1） 多軸運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器設(shè)備因自動(dòng)化程度提高而使得單一機(jī)器上所需要的軸數(shù)增多， 一臺(tái)設(shè)備上十幾軸是常見(jiàn)的事情。在軸數(shù)變多后， 如何協(xié)調(diào)各軸動(dòng)作就是一個(gè)重要的課題。

（ 2） 體積要小。由于廠房空間的限制， 機(jī)器的體積要求越小越好， 機(jī)器內(nèi)控制器的體積也就被要求愈來(lái)愈小， 相對(duì)的走線空間也愈來(lái)愈小。

（ 3） 要更精確。隨著半導(dǎo)體制程已經(jīng)精密到100nm 一下， 在制程及檢測(cè)相關(guān)設(shè)備所要求的運(yùn)動(dòng)精度也要更精確， 其它如LCD 設(shè)備， SMD 制程設(shè)備也有相同要求。

（ 4） 要更穩(wěn)定。因?yàn)樗性O(shè)備的投資經(jīng)費(fèi)龐大， 系統(tǒng)停機(jī)的成本就更顯的突出， 因此所有機(jī)器設(shè)備制造商都必須追求系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)也必須考慮在組件損壞要維修時(shí)， 必須能快速替換且不出差錯(cuò)。

綜合以上幾點(diǎn)的需求分析可以看到， 既要在一個(gè)控制器內(nèi)進(jìn)行多軸運(yùn)動(dòng)控制， 又要控制器的體積更小， 配線和維修要更容易， 這些條件看來(lái)是相沖突的?？梢赃@樣說(shuō)， 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)便是應(yīng)這些新機(jī)器設(shè)備的需求而產(chǎn)生的。

2、現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信特性

用于運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線有兩種通信控制策略： 事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)。事件觸發(fā)中， 控制單元檢測(cè)到事件發(fā)生后， 根據(jù)預(yù)定的算法計(jì)算出正確的應(yīng)答， 然后將應(yīng)答信息發(fā)送給數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器。從事件發(fā)生到應(yīng)答信息的接收之間的延時(shí)必須是有限的， 也就是最大值必須是可知的， 它的值就是通信協(xié)議的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。但是， 事件觸發(fā)中的事件是隨機(jī)的、不可預(yù)知的， 所以導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線通信的不確定性， 系統(tǒng)中的各個(gè)站點(diǎn)會(huì)爭(zhēng)用傳輸介質(zhì)，導(dǎo)致通信的沖突和不可靠， 很難保證高的實(shí)時(shí)性。事件觸發(fā)通常是非周期性的， 使用非周期性數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)最為簡(jiǎn)單， 但是也可以用周期性數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)， 此時(shí)， 就必須標(biāo)識(shí)哪個(gè)周期的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。

時(shí)間觸發(fā)通常是周期性地進(jìn)行的， 控制單元周期性地計(jì)算出控制數(shù)據(jù)， 然后及時(shí)發(fā)送控制數(shù)據(jù)給伺服驅(qū)動(dòng)器?？刂坪屯ㄐ攀峭ㄟ^(guò)一個(gè)全局時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的， 系統(tǒng)的行為不僅在功能上得到確定， 而且在時(shí)間上也是確定的， 各站點(diǎn)不會(huì)爭(zhēng)用傳輸媒介，整個(gè)系統(tǒng)是可靠的。時(shí)間觸發(fā)控制中的通信周期時(shí)間應(yīng)該等于控制周期時(shí)間， 或者通信周期時(shí)間能夠被控制周期時(shí)間整除。周期性的時(shí)間觸發(fā)中， 通信周期時(shí)間必須固定， 不能有明顯的波動(dòng)， 即數(shù)據(jù)傳輸必須有確定性， 也稱為實(shí)時(shí)性。

總體而言， 用于運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的性能要求有三點(diǎn)：

（ 1） 可靠的通信， 以適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境;

（ 2） 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。周期性數(shù)據(jù)傳輸和非周期性數(shù)據(jù)傳輸都必須有很高的實(shí)時(shí)性， 響應(yīng)時(shí)間通常為（ 1～10） ms。

（ 3）命令執(zhí)行和狀態(tài)反饋的同步性。為了達(dá)到各坐標(biāo)軸的同步運(yùn)動(dòng)精度， 需要各軸在收到命令值之后必須在同一時(shí)刻同時(shí)執(zhí)行位置控制指令和同時(shí)采樣當(dāng)前位置， 發(fā)送給控制單元。

3、CAN 總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

CAN 總線（ Controller Area Network 控制局域網(wǎng)絡(luò)） ， 是一種普遍的應(yīng)用。通過(guò)CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制， 使伺服電機(jī)的性能更加穩(wěn)定， 能更好更靈活地地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。

如圖1 所示， 基于CAN 總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)相比， 有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)。第一是其控制對(duì)象為伺服運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象， 第二是其網(wǎng)絡(luò)化控制器包括CAN 總線通信媒介和CAN 控制器節(jié)點(diǎn)兩部分。多個(gè)CAN 控制器節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN 總線通信媒介平行互聯(lián)為一個(gè)單層結(jié)構(gòu)的基于CAN 總線的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)需要更多軸運(yùn)動(dòng)控制時(shí)， 只需要簡(jiǎn)單的再增加新運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)， 把新的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)作為新的CAN 總線節(jié)點(diǎn)掛接到CAN 總線上就可以形成一個(gè)分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)， 而且無(wú)需在硬件上對(duì)原有的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)做任何的修改。也可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)與IE（ Industry Ethernet） 或Intranet/Internet 上下互聯(lián)為一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

基于CAN 總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 主要工作在于對(duì)CAN 控制器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)， 包括硬件和軟件兩部分。硬件設(shè)計(jì)， 主要在于選擇合適的芯片和硬件電路分別設(shè)計(jì)圖1 所示CAN 控制器節(jié)點(diǎn)的5 個(gè)基本組成部分， 即主控制器、主控制器與傳感器/ 執(zhí)行器的接口模塊、主控制器與CAN 總線控制器的接口模塊、CAN 總線控制器和CAN 總線收發(fā)器。軟件設(shè)計(jì)， 主要工作在于選擇合適的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件分別設(shè)計(jì)各種接口驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)管理軟件和控制功能軟件。

4、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控制器采用AT89C51 單片機(jī)作為處理核心， 采用PCA82C250 作為CAN 總線收發(fā)器， 圖2 給出了基于SJA1000的CAN 總線系統(tǒng)電路圖。為了增強(qiáng)抗干擾能力， SJA1000 的TX0 和RX0 引腳并沒(méi)有直接和PCA82C250 的TXD， RXD 相連接， 而是通過(guò)高速光耦6N137 后與PCA82C250 相連， 這樣可以實(shí)現(xiàn)總線上各CAN 節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離， 光耦6N137 的兩側(cè)使用完全獨(dú)立的兩組電源VCC 和+5V。

SJA1000 與單片機(jī)的接口比較簡(jiǎn)單， AD0～AD7 直接連接到AT89C51 的P0 端口， RD、WR 和ALE 信號(hào)也直接和AT89C51的相應(yīng)引腳進(jìn)行連接， MODE 接+5V 設(shè)置SJA100 控制器為Interl模式。SJA1000 的片選信號(hào)CS 由AT89C51 的P2.0 決定， 因此系統(tǒng)中SJA1000 的尋址空間從地址0 開(kāi)始， 可以使用此地址加上SJA1000 內(nèi)部寄存器地址的偏移量來(lái)訪問(wèn)SJA1000 內(nèi)部RAM空間。SJA1000 的中斷輸出信號(hào)INT 與AT89C51 的INT0引腳相連， 以便AT89C51 以中斷方式或查詢方式對(duì)報(bào)文收發(fā)作出響應(yīng)。

5、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

基于SJA1000 的CAN 總線建立通信的過(guò)程包括系統(tǒng)初始化、接收和發(fā)送。

5.1 SJA1000 的初始化程序

AT89C51 在上電后首先運(yùn)行其自身的復(fù)位程序， 并在此后調(diào)用SJA1000 的配置程序。配置程序在設(shè)置SJA1000 的寄存器前， 必須通過(guò)讀復(fù)位模式/ 請(qǐng)求標(biāo)志來(lái)檢查SJA1000 是否已處于復(fù)位模式， 因?yàn)橐獙?xiě)入配置信息的寄存器僅在復(fù)位模式下可以被寫(xiě)入。初始化程序中， 首先將SJA1000 設(shè)為復(fù)位狀態(tài)， 隨后定SJA1000 使用PeliCAN 模式， CLKOUT 引腳輸出頻率為外接晶振頻率的1/2， 為單驗(yàn)收濾波器模式。

SJA1000 的初始化流程（ 圖略） 。

在清除SJA1000 的復(fù)位模式/ 請(qǐng)求標(biāo)志進(jìn)入工作模式時(shí)，必須先檢查標(biāo)志是否確實(shí)被清除、是否進(jìn)入了工作模式后， 才能進(jìn)行下一步的操作。在進(jìn)入工作模式后， CAN 控制器的中斷可被使能， 并開(kāi)始正常的發(fā)送或接收?qǐng)?bào)文。

5.2 SJA1000 的報(bào)文發(fā)送接收

根據(jù)CAN 協(xié)議規(guī)范， 報(bào)文的傳輸由CAN 控制器SJA1000獨(dú)立完成。在報(bào)文的發(fā)送過(guò)程中， 單片機(jī)AT89C51 必須將要發(fā)送的報(bào)文送入系統(tǒng)發(fā)送緩沖區(qū)， 在將系統(tǒng)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)移至CAN 控制器發(fā)送緩沖器之前， 必須判斷發(fā)送緩沖器是否被釋放。

報(bào)文的接收由CAN 控制器SJA1000 獨(dú)立完成， 收到的報(bào)文在接收緩沖器內(nèi)， 同時(shí)將狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志RBS 和接收中斷標(biāo)志RI 置位。如果報(bào)文接收被使能， 單片機(jī)可以將接收緩沖器內(nèi)的新報(bào)文讀出， 并存儲(chǔ)到單片機(jī)的內(nèi)存單元或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中， 然后釋放接收緩沖器。SJA1000 報(bào)文接收過(guò)程可以由SJA1000 的中斷請(qǐng)求或查詢SJA1000 的控制段狀態(tài)標(biāo)志來(lái)控制。

6、小結(jié)

分析傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已不滿足電子制造設(shè)備的要求和現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信特性， 提出了基于SJA1000 的CAN總線的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案， 為交流伺服的網(wǎng)絡(luò)化研究和應(yīng)用作出了一次有益的新探索。CAN 總線可以很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)的較高要求， 同時(shí)使用CAN 總線還使得系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性能。這樣為向多軸或多點(diǎn)的分布式運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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