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基于CAN总线的电机群控制系统研究
长沙理工大学 硕士学位论文 基于CAN总线的电机群控制系统研究 姓名：李M 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：唐立军
摘要大尺寸切割机等工业生产需要对电机群实行协同控制，传统的电机群控 制系统大多采用控制器与电机驱动器一对一的脉冲控制模式，这种模式控制 线路复杂、抗干扰能力差、容易丢失脉冲或引进干扰脉冲、可靠性低
。 本文针对大尺寸切割机电机群同步控制需要，设计实现了一款基于ＣＡＮ 总线的电机群同步控制系统。该电机群控制系统以功耗低、处理速度快的ＳＴＭ３２ 为运动控制器，以四个步进电机为控制对象，各电机控制模块之间通过ＣＡＮ总 线实现通信。该电机群控制系统的硬件电路主要包括主控制器电路、总线网络上 ＣＡＮ接口电路、电机驱动电路与通讯电路。 设计了一套适合该系统的ＣＡＮ总线应用层通信协议。选择使用适合电机群 系统的ＣＡＮ２．０Ｂ协议标准帧格式，制定了１１位标识符的分配规则和通讯网络中 的管理规范，研究了报文接收过滤器的配置和ＣＡＮ通讯过程中纠错查错方法。 完成了系统的软件设计和调试。编制了主函数程序、电机驱动程序、收发报 文程序等软件。采用时间分割算法，通过镜像编程的方法实现直线和圆弧插补。 为方便实验验证，选用两个电机为试验对象，对系统进行多机协同控制测试。 主控制器向两节点电机的控制器发送指令，两电机均可收到控制信号，但在没使 用本文编制的ＣＡＮ总线应用层通信协议时，两节点电机的同步误差在３７０ｕｓ左右， 误差相对来说比较大，使用本文的ＣＡＮ总线应用层通信协议后，两节点电机的 执行命令的时间差在２０ｕｓ左右。表明本设计编制的ＣＡＮ总线应用层通信协议可 确保系统的同步性和通信的稳定。关键词：电机群同步控制：ＣＡＮ总线；ＳＴＭ３２；同步误差ＡＢＳＴＲＡＣＴＢｉｇ ｓｉｚｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｎｅｅｄｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｕｓｅｓｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｔｏｒ ｇｒｏｕｐ。Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｓｔｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｔｈｉｓ ｍｏｄｅ ｉｓｏｎｅ－ｔｏ－ｏｎｅｉｍｐｕｌｓｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆａｂｉｌｉｔｙ，ｅａｓｙ ｔｏ ｌｏｓｅ ｐｕｌｓｅｏｒｃｏｍｐｌｅｘ，ｐｏｏｒ ａｎｔｉ―ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｉｍｐｏｒｔｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐｕｌｓｅ，ｌｏｗ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｉｚｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ 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ｂｕｓ；ＳＴＭ３２；Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｅｒｒｏｒ第一章绪论１．１研究课题背景和意义多电机同步控制系统在实际生产过程中的应用相当广泛，如配料、工业切割、 机械手臂、传动等生产过程，都需要多台电机驱动。生产的过程及产品的质量与电 机群系统的控制精度和多台电机之间的协同控制效果有着很密切的关系。如何提 高管理便捷度和电机群控制系统的控制性能是迫切需要解决的问题Ｉｌ】。 尤其是在大工件切割加工过程中，由于电机比较多、分布比较广，采用传统 的控制器与电机驱动器一对』的脉冲控制模式，带来抗干扰能力差、在控制过程 中脉冲容易丢失或引进干扰脉冲、可靠性低、控制线路复杂等缺点。而智能型总 线式多电机协同控制系统大多依赖于进口。但是由于进口设备针对全球销售，很 难考虑到我国用户的特殊要求，存在价格比较昂贵、维修费用高、周期长等不足。 因此，深入研究基于ＣＡＮ总线的电机群控制系统，提高其同步控制性能具有非常重要的意义。１．２多电机同步控制系统研究现状 １．２．１多电机同步控制在现代工业飞速发展的２ｌ世纪，数控生产技术逐渐取代了传统的人力劳作。 多电机同步控制作为数控技术的一个重要分支，在生产中应用也日渐广泛。很多 生产设备都需要多台电机来驱动，诸如切割加工、造纸、印刷设备、垂直升船机、 印染设备等【２１。随着需求越来越大，电机群同步控制技术也飞速发展起来。 电机同步控制是指按照一定比例协调多个电机的位置、运转速度，使其保持 同步运行的关系，一般可以分为三类：（１）、控制系统中每个电机的运行速度完全 相同；（２）、控制系统中每个电机运行速度不完全一样，而是保持一定比例关系运 行；（３）、控制系统中每个电机运行时速度的差值始终是恒定的。一般有两种方式 能够维持多电机同步运行１３Ｊ：一种是机械传动方式：另一种是电方式。１．２．１．１机械传动方式机械传动方式的控制方法相对其他方式而言比较简单，形成时期早。简单地 说机械传动是用一台功率比较大的电动机拖动一根很长的机械总轴，系统中所有 的电机都通过齿轮箱胶合在总轴上，各个分区单元电机都接收一致的输入信号【４Ｊ。 因为机械传动方式基本上都是由机械部件实现的，所以它具有固有的同步性能。 但是也有一些不足之处【５】：（１）只用一个电动机拖动好几个负载，那么分到各个负载上的功率就比较 小了，使得传动范围和距离收到了限制； （２）机械总轴可能会发生振荡现象；（３）由于采用链条、齿轮等传动机构随着使用次数增多，存在着设备磨损的情况，给同步控制的精度带来影响。１．２．１．２电方式基于电方式的同步控制应用灵活性高，使用范围广。在切割机电机群控制系 统领域，基于电方式的同步控制具有极其深刻的意义。基于电方式的同步控制又 可以分为以３几种【６】：主令多电机同步控制，主从多电机同步控制以及交叉耦合 多电机同步控制。主令和主从都属于非耦合的同步控制方式。 １．２．１．２．１主令多电机同步控制 文献［６】提到主令多电机同步控制系统中，系统的输入信号直接发送给各个电 机单元，每个单元获得一致的信号，相互之间各不影响。此种同步方式完全没有 耦合，故每个电机单元只是接收系统的信号，不受其它因素的干扰。但是正因为 这种直接发送、信号～致的方式，控制系统也存在着缺点。当某一个电机单元出 现干扰时，同步效果就会遭到破坏。主令同步控制原理图如图１．１所示：Ｗ１图１。ｌ主令同步控制原理圈１．２．１．２．２主从多电机同步控制 在一些系统中，只有某一台电机容易受到干扰，而其它电机基本上不会受到 干扰，那么可以把容易受到干扰的电机的输出信号作为其它电机的输入信号，使 从电机跟随主电机状态，这即是主从同步控制方式【７Ｊ。这种方式对于每个分布系 统的控制目标比较一致的时候才适用。主从同步控制原理图如图１．２所示：２Ｗ１图１．２主从Ｉ司步控制原理图１．２．１．２．３交叉耦合同步控制 文献【７】提出交叉耦合同步控制是指将两台电机的位置或速度信号进行比较 得到一个差值，将该值作为附加的反馈信号。将这个反馈信号作为跟踪信号，根 据此信号，控制系统可以随时根据任意一台电机的负载变化进行调整，以此来提 高同步控制的精度和性能。但是，这种控制方式只适合两个电机的控制系统，若 是有多个电机，该种方法就不太适用。图ｌ－３为交叉耦合同步控制示意图：图１．３交叉耦合同步控制原理图１．２．３现场总线在多电机同步电机控制应用．现场总线是从上世纪八十年代蓬勃发展起来的一门新技术，它应用在生产现场、控制设备之间，可以实现多个节点之间双向串行通信。在传统的控制领域中， 一般使用的是“集中控制”，即设有专门的控制室，控制功能是分离的。这种控制 模式可靠性低并且容易失控。很快地，随着生产的需求、技术的革新分布式、分 布式控制随之发展起来。集中的计算机控制系统演变成多个分散式的智能仪表和 计算机，模拟传输信号也逐渐被数字传输信号所取代１８】。而对各个设备之间信息 的传输、控制也有了更高的要求。基于现场总线的控制方式大大提高了多电机同３步控制的实时性、数据传送的准确性。现今，市场上基于ＣＡＮ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、 ＣＣ．ＬＩＮＫ总线的同步控制应用比较广泛。 （１）Ｐｒｏｆｉｂｕｓ是作为德国国家标准ＤＩＮ １９２４５和欧洲标准ｐｒＥＮ ５０１７０的现 场总线。Ｐｒｏｆｉｂｕｓ由Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＦＭＳ、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＤＰ和Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＰＡ三各部分组成。 Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＦＭＳ可以用来传递不受控信息；Ｐｒｏｆｉｂｕｓ―ＰＡ适用于采集和控制自动化的 信号；Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＤＰ一般用于自动化制造业中１９】。Ｐｏｒｆｉｂｕｓ容易保养和维修、应用 范围广泛、是国际性的、完整的、开放的现场总线标准。 （２）ＣＣ．Ｌｉｎｋ是Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｌｉｎｋ（控制与通信链路系统）的缩 写，１９９６年１１月由日本三菱公司推出，发展迅速，在亚洲市场占有较大比重。 在其系统中，信息传递速度高达１０Ｍｂｉｔ／ｓｔｌｏｌ。该种总线具有以下优点：性能好、 简便好用、节约成本、应用广泛。 （３）ＣＡＮ是控制网络Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ的简称，最开始是用于汽车产业， 由德国ＢＯＳＣＨ公司推最早出，继而得到了Ｉｎｔｅｌ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ、ＮＥＣ等公司的支持 Ｉｌ¨。ＣＡＮ总线的出现为分布式控制提供了强劲的技术支持，由于其可靠性高、灵 活性强和实时性好的优势，ＣＡＮ总线的使用已不仅仅局限于汽车行业，在航天航 海、机器人、机械制造、数控机床领域都得到了广泛的应用。 综上所述，伴随着工业生产的需求，多电机同步控制方式也得到了蓬勃的发 展。其中机械方式完全由机械部件来实现同步控制，控制方法虽然简单但是系统 结构笨重，消耗材料。电方式在控制精度上有了提高，但是基于电方式的电机控 制系统在硬件设计好以后，很难再改变，无法扩展负载电机，灵活性不高。随着 网络技术的发展，总线技术在多电机同步控制领域中得到很好的应用。智能总线 型控制系统灵活性好，网络中节点可以根据用户的需求增减也就意味着系统中负 载的电机数量可以改变。１．３文章章节安排本文针对大尺寸工件的切割加工中电机群同步控制问题，探讨运用ＣＡＮ现 场总线和网络功能，设计一款多电机协同控制系统。控制器采用一对多的脉冲发 送模式，通过总线控制四个电机协同运动，通信速率为１Ｍｂ／ｓ，控制距离可达到 数十米。 论文具体的章节安排如下： 第二章电机群控制系统的总体方案设计 第三章电机群控制系统的硬件设计与实现 第四章电机群控制系统的应用层通信协议设计 第五章电机群控制系统的软件设计与实现 第六章实验调试及结果讨论４第二章电机群控制系统的总体方案设计２．１控制系统总体方案要求电机群控制系统要求系统中各个模块的控制器都可以快速地完成信息的解 析，正确地执行命令，并且各模块之间能够实时通信，达到电机协同运动。控制 系统方案的设计可以从两方面考虑：第一，选择合适的控制模式实现对多台电机 的控制；第二，设计一个完整的通信网络完成各个模块之间的信息交互。２．２控制系统总体方案设计 ２．２．１电机群控制系统控制模式设计，在国内外电机控制系统中，常用到的控制系统模式有两种：一种是一对一脉 冲直接控制模式；另一种是智能型总线控制模式。 ｌ、脉冲直接控制模式是控制器向每一个驱动器直接发送运行脉冲。这种控制 模式在电机驱动相距比较远，需要大尺寸工件的切割加工中，存在抗干扰能力差， 在控制过程中容易丢失脉冲或引进干扰脉冲，可靠性低；控制线路复杂，给生产 与维护带来不便，并且成本高。 ２、智能型总线控制模式，采用现场总线，把传统的脉冲传送改为智能型总线 数据传送并具有数据完整性校验和重发机制等纠错功能。摒弃控制器与电机驱动 器一对一发送脉冲的传统模式，而是选择一个总控制器通过总线以广播形式发送 脉冲指令。各控制器均是总线上的一个节点，形成一个完整的通讯网络。该种模 式打破了传统控制系统脉冲直接控制模式，具有实时性强、可靠性高的优点。 在本系统选用智能型总线控制模式。这种系统由主控制器和下位运动控制模 块组成。每个下位运动控制模块都是一个独立的单元，拥有控制器，通信接口等。２．２．２电机群控制系统通讯方案设计目前，在电机群同步控制系统中并行通信、ＲＳ４８５通信、ＵＳＢ通信、ＲＳ２３２ 通信、ＣＡＮ总线通信使用频率比较大。其中并行通信的数据传输速率虽然大，但 是占用硬件资源多，需要大量的传输线，显然不适合于多电机控制系统。后面４ 种都属于串行通信，数据传输速率没有并行通信那么快，但是传输线路少、接口 电路简便，能够节约硬件资源、市场占有率比较大。 ＲＳ２３２总线应用广泛、线路简单是一种技术已发展得比较成熟的通信方式， 但是通信距离一般小于１５ｍ，通信距离短、抗干扰能力差、电压较高，与其它电 路连接不方便，必须转换才能连接。 ＲＳ４８５通信距离远，传输速率快，其缺点是只有主从式结构系统才可以使用，通信方式也只能选择主站对多个从站通信的方式进行，只有在主站向从站发出消 息以后，从站才能像主站发消息；并且没有冲突检测和纠错机制，系统的实时性 和可靠性比较差。 ＵＳＢ是最近几年得到了广泛使用，其传输速度快、连接灵活、操作方便；但 是大部分ＵＳＢ产品只有一个输出口不能连接下一个ＵＳＢ：ＵＳＢ在实际应用的时 候一般串联到４至５个设备，就可能引起某些设备出错，这与其理论上能串联１２７ 个设备不相符合。另外，ＵＳＢ供电能力也比较弱，无法连接耗电多的设备。 文献［１１］中提到ＣＡＮ是通过ＩＳ０１１８９８及ＩＳＯｌｌ５１９进行了标准化的通信协 议。早期在汽车行业应用的非常广泛，由于其灵活性好、可靠性高、实时性强， ＣＡＮ总线的使用已不是仅仅局限于汽车产业，航天航海、数控机床、机器人和医 疗器械领域都得到了广泛的应用。目前ＣＡＮ总线在欧洲已经成为标准协议。 在本系统中，需要实现同步控制多个电机完成直线、圆弧插补，因此要求通 信系统能进行多点通信且实时性强。考虑到系统能应用于尺寸比较大的工件加工， 通信距离可设在３０ｍ左右。故经过综合考虑，系统的通讯网络选用ＣＡＮ总线来 构建。 具体来讲，ＣＡＮ主要有以下特点； １）ＣＡＮ总线通过两根线跟外部相连，结构简单，并且自带除错纠错机制和总 线管理模块； ２）ＣＡＮ总线的通信方式很灵活。收发报文有一点对多点，点对点和全局广 播这几种方式可供选择； ３）采用非破坏性仲裁技术。网络中的节点可以分为不同的优先级，当在同一 时刻有两个节点向总线发送数据时，低优先级的节点会主动停止发送。这样可以 很好地节约了总线仲裁冲突的时间，即使在网络使用量很大的情况下网络也不会 瘫痪： ４）ＣＡＮ采用短帧格式通信，每一帧的字节数最多不超过８个，基本上都可满 足大部分工业领域中的控制命令，测试数据和工作状态的一般要求。短帧的结构 也不会过长占用总线时间，提高了实时性通信； ５）最大直接通信距离可达１０Ｋｉｎ（速率５Ｋｂ／ｓ），通信速率最高可达１Ｍｂ／ ｓ（通信距离为４０ｍ）。双绞线，同轴电缆或光纤都可以作为通信介质； ６）ＣＡＮ为多主从方式，总线上任何一个节点都可以随时主动向总线上其它节点发送信息；７）当出现严重的错误时，ＣＡＮ节点将自动关闭输出，不影响总线上其它节 点的操作。２．２．３电机群控制系统总体框架经过综合比较和考虑，电机群控制系统由运动控制器、步进电机（４台）及６相应带ＣＡＮ总线的电机驱动器等组成。各个模块经ＣＡＮ总线连接成一个完整通 讯网络，相互之间可以实时地传递信息。系统的控制对象主要是４台电机，即Ｍ１： ｘ轴方向运动电机、Ｍ２－Ｙ轴方向运行电机、Ｍ３：刀头上下移动电机（Ｚ轴电机）， Ｍ４：刀头旋转电机（Ｕ轴）。主控制器采用时间分割法进行直线插补、圆弧插补 运算，计算出各轴电机的所要达到的位置坐标和速度指令，通过ＣＡＮ总线将数 据指令分别发送给各下位机运动控制模块。下位机控制器接收到命令后对命令进 行解析，发送脉冲驱动步迸电机运动。各电机协调工作实现直线、圆弧切割加工。图２．１电机群同步控制系统整体框图２．３本章小结本章针对电机群控制系统的总体要求，从控制结构和通信网络两个方面提出 了系统设计方案。选取了智能总线控制模式，总线网络选择高速、可靠、实时性 好的ＣＡＮ总线，设计了电机群控制系统的总体框图。７第三章电机群控制系统的硬件设计与实现电机群控制系统硬件设计分为３个部分进行介绍：运动控制模块、总线通讯 模块、电机驱动模块。３．１运动控制模块３．１．１运动控制芯片选择在电机群控制系统中，主控制器负责插补计算，把指令传给下位机。下位机 控制器负责接受解析命令，并且驱动电机运行。传统的电机控制系统控制芯片大 部分选用的是ＤＳＰ微处理器。ＤＳＰ的优点是运算速度快，可以满足控制系统中插 补计算量大的需要。但是ＤＳＰ需要将离散的数字量转换为连接变化的模拟量：采 样频率受到限制，能够处理的最高频率为４０ＭＨｚ［１２】；数字系统源器件比较耗电， 需要接外电设备，可靠性低、通用功能相对比较弱。 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６是由公司生产的具有３２位的ＣｏｒｔｅｘＴＭ―Ｍ３ ＣＰＵ，具有以下 特点【１３】： （１）工作频率最高达７２ＭＨｚ，在存储器的０等待周期访问时可达１．２５ＤＭｉｐｓ／ＭＨｚ；（２）ＳＴＭ３２的功耗非常低。当程序以７２ＭＨｚ的速度运行时，处理器仅耗电 流２７ｍＡ，在待机状态下，耗电值仅为２ｕＡ；．（３）ＳＴＭ３２有三种时钟控制机制，可以根据系统所需的耗电情况进行合理 的配置。内嵌实时时钟（ＲＴＣ），其有单独的供电电路，可以由主电源供电，也可 以由纽扣电池供电。内嵌实时时钟中有２０个字节用于数据备份； （４）ＳＴＭ３２启动很快，不到７ＵＳ就可以将处理器从停机模式唤醒，从待机 到运行起来只需要５５ｕＳ； （５）采用双ＡＰＢ总线结构，其中一个速度为ＣＰＵ的运行频率，从而使该总 线上的外设能高速运行。ＵＳＡＲＴ接口达４．５Ｍｂｉｆｆｓ，ＵＳＢ接口达１２Ｍｂｉｔ／ｓ，通用 输入输出口的翻转频率达ｌｇＭＨｚ； （６）ＳＴＭ３２非常适合于控制电机，其处理器内嵌了专门针对三相无刷电机 控制的模数转换器和高级定时器； （７）高级ＰＷＭ定时器提供６路ＰＷＭ输出，可以产生死区，具有编码器输 入接口，霍尔传感器接１３可完整的向量控制环； （８）双ＡＤＣ机构可以进行双通道采样和保持，用以实现１ｕＳ。１２位精度的 转化。该模数转换器有两个工作在非连续模式的独立时序控制，具有多个触发源， 每个通道都可以编程；８（９）自带电源监控器和看门狗定时器，该看门狗具有上电复位、掉电检测、 低电压检测的功能。 由此可见，选用ＳＴＭ３２做控制芯片，可以采用固件库开发，不必接触底层 寄存器，大大缩短开发周期；性价比高，３２位的控制器有着接近于１６位甚至高 端８位控制器的价格；并且芯片内部带有支持２．０Ａ协议跟２．０Ｂ协议的ＣＡＮ控 制器，不再需要另加控制器，给ＣＡＮ通讯外围电路设计带来了便捷。经过比较， 在该控制系统中，选用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６嵌入式处理器作为个控制模块的控制器。图３．１ＳＴＭ３２最小系统图３．１为ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６控制最小系统。ＳＴＭ３２有七种封装规格，多组 ＶＤＤ／ＶＳＳ引脚，以及一组ＶＤＤＡ／ＶＳＳＡ引脚。所有ＶＤＤ和ＶＳＳ在芯片内部都 相连，但是由于导线比较细可能会带来内部抗干扰能力弱和负载效应差的问题。 因此，在设计电路时，需要将芯片外部的ＶＤＤ和ＶＳＳ都连接上，这样设计能够 保护电路，使其不容易被损坏。芯片工作时需要使用相同电源给ＶＤＤ和ＶＳＳ供 电；ＶＤＤ和ＶＤＤＡ之间的电压差不能超过３００ｍＶ，并且两者上电和掉电应该保 持步调一致。电路板上，在每对ＶＤＤ和ＶＳＳ附近都可分别设置一个１０ｕＦ的高频９瓷介电容，在ＶＤＤ和ＶＳＳ３附近设置一个１０ｕＦ的钽电容或瓷介电容，这样做能 起到隔离去耦的功效。ＳＴＭ３２Ｆ１ ０３ＲＢＴ６外部晶振为８ＭＨｚ，将两个２２ＰＦ的电容 跟晶振并联，这样设计使电路易于起振。ＳＴＭ３２Ｆ１０７ＲＢ芯片启动时有三种模式， 通过配置ＢＯＯＴ０与ＢＯＯＴｌ脚实现芯片启动。电路板设计中，在ＢＯＯＴｌ与地之 间连接一个阻值为１０Ｋ欧姆的电阻。ＢＯＯＴ０通过跳线选择启动模式，没有接跳 帽时从ｆｌａｓｈ启动，当接跳帽时从系统存储器启动。３．１．２通信电路设计在电机控制系统中上位ＰＣ与主控制器之间通过串行通信实现数据交换。 ＲＳ２３２和ＲＳ４８５是常用的串行通信接口标准。在ＲＳ２３２接口通信一般传输距离不 超过２０米，而ＲＳ４８５接ＩＳｌ最大传输距离可达３０００米【１４】。由于系统控制主控板与 上位ＰＣ之间的距离常常因为测试场地的不同而发生变化，因此选用的通信接口 在传输距离上要满足系统的要求，基于这方面考虑ＲＳ４８５比较适合。另外系统中 控制芯片为ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢ，该芯片的接口采用ＴＴＬ电平，在电压为Ｏ．０．８Ｖ时为 “０’’电平，２－５Ｖ时为“ｌ”电平，因此芯片不能直接与ＰＣ机串行通信接口相连 接，必须设计ＴＴＬ电平到ＰＣ机标准串行通信接口电路。而ＲＳ４８５接口信号电平 比ＲＳ２３２低，且与ＴＴＬ电平兼容，电路连接便捷。综合以上两方面考虑，本系 统中串行通信接口采用的是ＥＩＡ ＲＳ一４８５Ｅ标准串行通信协议。图３．２ ＲＳ４８５接口电路图３．２为ＲＳ４８５接１２电路。ＲＳ４８５接口电路主要由低功耗的半双Ｔ＇ＲＳ４８５收发器 ＭＡＸ４８５ＣＰＡ组成，符合ＲＳ４８５串行通信协议的电气规范，芯片中包含一个带有短 路电流限制功能的驱动器，可以防止功率损耗过大；一个输入具有失效保护特性 的接收器，确保输入开路时能输出逻辑高电平。３．２通讯模块３．２．１ＣＡＮ收发器选择ｌＯ由于ＣＡＮ总线具有通信速率高、容易实现、且性价比高等优点，所以在工 业生产控制领域得到了广泛的应用与开发。而又正是因为技术的发展，应用的需 求使得不少器件生产商不断研发出新的ＣＡＮ总线相关产品。目前市场上ＣＡＮ总 线控制器的产品有很多，例如ＩＮＴＥＬ，ＰＨＩＬＩＰＳ，ＭＯＴＯＲＯＬＡ，ＮＥＣ，ＳＩＵＯＮＩ世 寄ｏＣＡＮ收发器芯片有两种：一种控制器是独立的，另一种收发器和微处理器集 成在一起。与微处理器集成在一起的ＣＡＮ控制器在设计电路时，灵活性不如独 立的控制器，但同时外部电路的复杂性降低了，整个系统工作稳定性也得到提高。 这类芯片将ＣＡＮ总线收发器和微处理器集成在片内，将其作为内部的一个寄存 器模块。本文选用的控制芯片ＳＴＭ３２就集合了ＣＡＮ收发器ＴＪＡｌ０５０。利用主控 制器和各个电机驱动器都有ＣＡＮ接口的特点，形成ＣＡＮ控制网络，并可以根据 实际情况扩展网络节点个数。 在电机控制系统中，ＣＡＮ收发器选用的是ＴＪＡｌ０５０。ＴＪＡｌ０５０是控制器区域 网络（ＣＡＮ）协议控制器和物理总线之间的接口。它能够为总线提供差动发送性能， 为ＣＡＮ控制器提供差动接收性能。ＴＪＡｌ０５０收发器是继ＰＣＡ８２Ｃ２５０和 ＰＣＡ８２Ｃ２５１高速ＣＡＮ收发器之后推出的产品。其改进的优势有【１６１：１、增加了 一种新的支持ＣＡＮ ２．０Ｂ协议的工作模式（ＰｅｌｉＣＡＮ）；２、由ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ搭 配输出信号，可以降低电磁辐射：在节点没有供电时，性能也有所改进；３、没有 待机模式。３．２．２ＣＡＮ接口电气隔离保护电路：图３．３ＣＡＮ通讯接口保护电路图３．３是ＣＡＮ通讯接口保护电路。设计电机群控制系统ＣＡＮ接口电路时， 将ＨＣＰＬ．０６００接在ＴＪＡｌ０５０与ＳＴＭ３２之间。ＨＣＰＬ．０６００是一款光电耦合门电路 芯片，组合了磷砷化镓发光二极管和集成高增益光探测器。ＨＣＰＬ．０６００的使能输 入允许探测器带有选通特性。探测器Ｉｃ的输出则是一个集电极开路肖特基钳位晶体管。ＨＣＰＬ．０６００的内部屏蔽可保证在Ｖｃｍ＝１０００Ｖ条件下，其共模瞬变抗扰度 达到１５０００ Ｖ／｝ｔｓ。这种独特的设计提供了最大限度的ａｃ和ｄｃ电路隔离，同时实 现了ＴＴＬ兼容。ＨＣＰＬ．０６００光耦的操作参数保证温度范围为一４０℃～＋８５℃，这些 参数允许了系统的无扰运行【１８１。在硬件电路设计中，将ＨＣＰＬ．０６００接在ＴＪＡｌ０５０ 与ＳＴＭ３２之间，可以抵抗部分干扰，非常好地地实现了总线上各节点问的电气隔离。３．３电机驱动模块 ３．３．１步进电机工作原理下位控制器节点接收主控制器发送的数据，并对数据进行分析处理，将其转 成脉冲信号送给步进电机驱动器。由于数据计算量大，且要求运算速度快，故下 位机同样采用ＳＴＭ３２芯片作为ＣＰＵ。切割机电机系统采用激光切割，只需要一 般的步进电机带动激光探头运行即可。图３．４步进电机驱动原理图步进电机是通过脉冲来进行控制的。控制器给电机发送一个脉冲信号，步进 电机就会随之转动一个角度。正常运动情况下，输入多少个脉冲则电机也会随之 转动一定的角度，两者之间存在一定比例关系【Ｉ引。而电机转动的快慢跟输入脉冲 信号的频率相关，输入的频率高电机转得快，反之则转速慢。电压波动和负载改 变现象不会影响其运动。步进电机必须要使用专用的驱动器放大信号，才能使其 正常运行。ＣＰＵ产生控制信号通过驱动电路控制步进电机运行。如图３．４所示， 步进电机控制模块由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、反馈与保护单元等组成。 图３．４中划线框所包围的２个单元能用微机控制实现。驱动单元与步进电机直接耦合。’３．３．２电机驱动芯片选择目前市场上，步进电机驱动芯片有Ａ３９７７和ＬＶ８７３ １Ｖ使用比较广泛【１９Ｊ。 ＬＶ８７３１Ｖ芯片为最新工艺，体积更小，发热更低，带有短路保护功能，无论在性１２能上还是功能上，都已经超越了Ａ３９７７，而价格却为Ａ３９７７的６０―７０％。该系统 选用ＬＶ８７３１Ｖ芯片，分析如下： １．ＬＶ８７３１Ｖ面积仅为Ａ３９７７的３７％，体积更是仅为１４％，设计中可更大节 省ｐｃｂ面积，表贴封装更利于批量生产。 ２．相同的输入电压和输出电流，而ＬＶ８７３１Ｖ的导通电阻仅为０．４５欧姆，发 热降低４５％，更多的节省散热材料。３．ＬＶ８７３１Ｖ本身自带５Ｖ电源，所以仅需要１路ＶＭ电源输入，而Ａ３９７７则需两路电源，不得不配合稳压芯片使用。 ４．ＬＶ８７３１Ｖ加入了跨时代的短路保护功能，输出相线与电源、地线、或相线 之间短路，芯片将立刻保护并输出报警，防止芯片或设备损坏。３．３．３电机驱动电路ＬＶ８７３１Ｖ是２ｃｈ Ｈ桥驱动，内置ｌｅｈ ＰＷＭ电流控制步进电机驱动，能设定２ 相／１．２相／Ｗ１．２相／４Ｗ１．２相励磁模式，只要输入ＳＴＥＰ信号、励磁ＳＴＥＰ就可以 进行，非常适合带动步进电机【２叭。Ｇ∞ｂ＂２０ ｃ１７｜ｌｌ∞ ｌｌ∞２《Ｖ ｌ锄ｌ ２ ３４ＶＧ、ＭＣＰ２ｏ【羽Ａ４４ｏ【了ｉＡＧ硒┃广―４；Ｊ Ｂ∞ ４２一∞ｏ贯ｌＡＩＩ最１ｌ。４Ｊ ７ １搬ｌ┃７１０｜ｌ ｌ 瓦＾ｄ２ＶＭｌＣ”、唧２对ｌ髓７。…；３ ８｛工描ＤＣ２２ ：ｊ Ｒｆ２ 髓┃婶．如一┃Ｏｆ氇（玎２＾ ＢＬ蓉ｌ曩２岛 ┃急＾Ｒ．．．∞┃Ｃｌ２、Ｍ２Ｃｎ１ｓ溺：４ｖＮＤ ｏ渤 ┃┃ＶＹ磁手 Ｏ｛ｍ Ｃ吒『：ＢｌＶＮＤＬＶ８３１驱动芯片管脚图用内置输出短路保护电路，将ＬＶ８７３ＩＶ的ＯＵＴＡＩ、ＯＵＴＡ２、ＯＵＴＢｌ、 ２３ＰＡ７脚（ＴＩＭｌ） ｍｔｓ与脚管２ｌＣＤ的Ｖ１３７８ＶＬ。机电进步接连接直脚管２ＵＯ 分细８为定设式模磁励。度速制控波ＭＷＰ的出输节调来ｌＭＩＴ置设过连相 ２ ３ｍｔｓ过通，式模磁励相２Ｗ４ ＰＡ６ＰＡ７管脚来控制。设定ＤＭ接地，使端子。机电进步ｈｃｌ的入输ＮＩｏｌＬＣ制控能，式模Ｓ为结小章．３ 了电机群控制系统的硬件结构，设计实现了系统运动控制模块、总 。路电件硬的块模动驱机电、块通线第四章电机群控制系统的应用层协议设计与实现本系统采用ＣＡＮ总线作为控制总线实现对电机群的控制。ＣＡＮ总线的特点 是不用对网络中的站地址编码，而是以广播形式发送报文，通过标识符匹配过滤 来实现数据的传送。基于这个通信原理，网络中的节点个数可以扩展，在理论上 不受限制。１９９１年ＣＡＮ总线技术规范（Ｖｅｒｓｉｏｎ２．Ｏ）制定并发布。该技术规范分 为两个部分：２．０Ａ协议和２．０Ｂ协议【２１。２２】。２．ＯＡ包含了标准格式，而２．０Ｂ包含 了标准格式和扩展格式。考虑到网络节点扩展需要，本系统利用该规范２．０Ｂ协 议来实现通信。４．１ＣＡＮ协议２．０Ｂ介绍ＣＡＮ协议２．０Ｂ有标准帧和扩展帧两种格式。ＣＡＮ标准帧格式有１１位的标识符，前面３个字节是帧信息。第一个字节包括的信息量有帧格式（ＦＦ）：远程 发送请求（ＲＴＲ），发送数据帧时置‘０’，发送远程帧时置‘ｌ’；第４、５位（Ｘ）是 保留位；第０位到第３位是数据长度ＤＬＣ，即实际发送多少个数据，ＤＬＣ就填对 应的数值【２３１。字节２和字节３的前１１位为标识符，剩下的八个字节存放待发送 的数据，帧信息格式见表４．１。本系统只需控制４个电机，为加快通信速率，本 设计采用１ｌ位标识符的标准帧。表４．１ ＣＡＮ协议２．０Ｂ标准帧帧格式列表ＣＡＮ２．０Ｂ扩展帧有２９位标识符，帧格式包由帧的信息和帧要传送的数据组 成。第一个字节包括的信息量有帧格式（ＦＦ）；远程发送请求（ＲＴＲ），发送数据１４帧时置‘０’，发送远程帧时置‘１’；第４、５位（Ｘ）是保留位；第Ｏ位到第３位是 数据长度ＤＬＣ，即实际发送多少个数据，ＤＬＣ就填对应的数值。２至５个字节的 前２９位是标识符，其余几位保留‘２４。２５】。最后八个字节存有待发送的数据，帧信 息结构详见表４．２。该格式可作为网络节点扩展备用。表４．２ ＣＡＮ协议２．０Ｂ扩展帧帧格式列表４．２ＣＡＮ总线分层及各层功能根据ＯＳＩ网络模型，ＣＡＮ总线一共可以分为７层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层【２６１。ＣＡＮ协议分层结构图如图 ４．１所示： ＯＳＩ结构应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层ＬＬＣ ＭＡＣ ＰＬｓ ＰＭＡ ＭＤｌＣＡＮｂｕｓ分层媒体图４．１ ＣＡＮ协议分层结构图１５物理层和数据链路层完全由硬件实现，物理层规定了通讯时使用的电缆、连 接器等的媒体、电气信号规格以及实现设备间的信号传送【２７１。数据链路层通过数 据链路层协议和规则实现数据的传输。网络层选择数据传送的路由或中继；传输 层控制数据传输的顺序、传送错误的恢复等，保证通信的品质；会话层建立会话 式的通讯、正确地传递数据；表示层将数据的表现形式进行变换；应用层是根据 实际要完成的任务编制协议、代码。要实现电机群的协同控制关键在于应用层协 议的编制。４．３ＣＡＮ总线的电气特性ＣＡＮ总线一般使用双绞线、光纤等介质进行传输。在实际应用中，双绞线使用频率的比较大。本系统设计中，采用双绞线传输时可以在总线的两端各接一 个电阻（一般是１２０欧），以此来避免出现信号反射的情况。这样的话，即使在 很低的信号电平下也能保证信号传输的可靠性。另外，通过双绞线还可以降低电 磁辐射的干扰，这样就使得总线的抗干扰能力得到了提高。总线信号使用差分电 压传送，两条信号线被分别称为ＣＡＮ Ｈ和ＣＡＮ Ｌ，即ＣＡＮ网络中的总线（ＢＵＳ）。 在电机群控制系统中，ＣＡＮ总线和ＳＴＭ３２内置收发器之间有两个接口引脚 分别是ＣＡＮ高电平和ＣＡＮ低电平，两线之间的“差分’’电压表示信号。ＣＡＮ总 线上使用“显性”（Ｄｏｍｉｎａｎｔ）或“隐性”（Ｒｅｃｅｓｓｉｖｅ）两个互补的逻辑值表示“０’’ 和“１”。当总线上同时发送显性位和隐性位时，其结果是总线数值显示为“Ｏ”， 即显性。此时电压值一般为ＣＡＮＨ＝３．５Ｖ，ＣＡＮ Ｌ＝Ｉ．５Ｖｔ２９－３０】。ＣＡＮ Ｈ和ＣＡＮＬ的静态电压值大概为２．５Ｖ，此时总线数值是‘ｌ’，即隐性。图４．２为ＣＡＮ总线 电平定义。电时问图４．２ ＣＡＮ总线电平定义４．４ＣＡＮ协议的错误处理机制４．４．１错误类型１６ＣＡＮ总线有一套完整而有效的错误处理机制。总线通信过程中可能会出现的 错误可以归为５类： 位错误、填充错误、ＣＲＣ错误、格式错误、应答错误【２９。３０】。在电机群控制系统通信过程中，可能会同时出现多个错误，相互之间并不会排斥。 错误具体内容如表４．３所示：表４．３ ＣＡＮ错误类型详表４．４．２节点错误处理电机群控制系统中，当网络上某个电机节点检测到总线上的信号满足错误条 件时，就会输出错误标记来指示总线出现了错误。发送单元将先发送错误帧，接 着再发送数据帧或遥控帧。错误标志的输出时序如表４．４所示：表４．４错误标志输出时序表４．４．３故障界定方法造成ＣＡＮ网络中电机节点出错的原因可能是总线上暂时的扰动，也可能是 节点不可恢复的故障，ＣＡＮ规范定义了详细的状态转换规则用于故障界定。出错的ＣＡＮ节点有３种错误状态【３１】：主动错误状态、被动错误状态、总线关闭状态。 在主动错误状态下，节点在总线上通信不受影响而保持正常，在检测到错误 时将发出主动错误标志：被动错误节点在总线上通信时，只到被检测到错误才会 发出被动错误标志，在下一个报文发送之前被动错误节点将处于等待状态；处于 总线关闭状态的节点对总线没有影响。电机群控制系统中，为了实现故障的界定， 每个电机节点都将进行发送、接收错误两种计数，这两种计数的改变遵照以下规则【３２】：（１）接收器检测到一个错误，接收错误计数加ｌ。除去发送主动错误标志和 过载标志期间的错误是位错误的情况。 （２）在发送错误标志成功后，接收器若在最初的位期间检测到显性位，则接 收错误计数值加８。 （３）发送器计数器加８在其发送一个错误标志时。但有两个情况除外：一是 当发送器处于被动错误状态，并且检测到一个错误应答或者发送被动错误状态标 志期间没有检测到显性位；二是出现的错误是由于仲裁时间发生的填充错误。 （４）在报文成功传送后，发送错误计数器的值减１，直到其值减为０。 （５）在成功接收到报文之后，如果接受错误计数值为１．１２７，那么接收错误 计数器值将减１；如果其值为０，则值不变；如果值大于１２７，则被设置成一个１１９ 到１２７之间的值。 （６）当发送错误计数器的值或接收错误计数器的值不小于１２８时，节点将处 于“错误被动”状态。 （７）在发送错误值计数器与接收错误值计数器不小于２５６时，节点处于“总 线关闭＂状态。 （８）当发送错误计数值和接受错误计数值都不大于１２７时，“被动错误状态＂ 节点将成为“错误主动＂节点。 （９）总线关闭节点在检测到１２８次出现１１个连续的隐性位以后，该节点能 变成主动错误状态节点，它其发送错误和接收错误计数值都被设置为０。 本系统设计时在系统硬件电路中专门设计了一个指示灯，以便更直观地查看 ＣＡＮ总线的工作状态。当总线在正常地收发信息时，指示灯会一直闪烁：当ＣＡＮ 总线关闭，电机节点不再参与总线活动时，指示灯将不再闪烁，会一直处于熄灭 状态。若总线上出现的错误不能通过复位该节点解决时，可以通过查看指示灯的 状态，及时对不工作的节点进行修理维护。４．５电机群控制系统的ＣＡＮ总线应用层协议设计ＣＡＮ总线协议只定义了物理层和数据链路层，没有规定应用层。相当于定好 了硬件如何实现发送邮箱，标识符过滤等，却没有规定发送的内容，发送规律以１８及标识符匹配机制。因此，在基于ＣＡＮ总线的电机群控制系统中，控制命令怎 样通过ＣＡＮ总线发送来达到控制电机同步运行的效果，这就需要编制一个高层 协议。该协议可以在ＣＡＮ网络中建立规范的通讯模式，执行网络管理功能，以 及提供设备功能描述方式。 ＣＡＮ应用层协议有很多，目前占领市场主流的两个应用层协议是：ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ 协议和ＣＡＮｏｐｅｎ协议１３３】。但是ＤｅｖｉｅｅＮｅｔ和ＣＡＮｏｐｅｎ协议难度大、规范复杂、 开发成本高。 本控制系统的控制对象只有４台电机，应用市场主流协议过于复杂和冗余， 且成本高，因此，本系统研究一套简单而有效的高层通信协议。该协议详细的定 义了ＣＡＮ报文中ＩＤ分配，规定了数据帧中命令发送的格式以及网络中信息传输。状态的监控办法。具体可以分为以下４个部分：４．５．１ＣＡＮ报文格式ＣＡＮ报文包括ＣＡＮ标识符的使用规则以及数据部分的内容格式。 ４．５．１．１标识符分配 在ＣＡＮ应用层协议中，报文是以广播的形式进行发送，总线上所有节点都 能接收。总线上发送报文时不需要格外指定好此帧的目的地址和源地址，报文发 送出去后，是根据标识符匹配来接收报文的。节点在接收报文后将报文的标识符 进行匹配；若匹配成功，就拷贝到ＳＲＡＭ里；若是不需要的数据，报文将被自动 丢弃而不用软件编程设定。ＣＡＮ技术规范规定数据帧有１１位标识符的标准帧和 ‘２９位标识符的扩展帧，由于本系统只需控制４个电机，为加快通信速率，本设计 采用１１位标识符的标准帧。 在本电机群控制系统中，每一个节点有且只有一个其专属的地址，地址码和 系统中各电机模块对应，总线上按照地址来传送数据。电机控制系统中主控节点 为ｌ，Ｘ轴、Ｙ轴、Ｚ轴、Ｕ轴电机节点依次为２、３、４、５。由于系统规模比较 小，节点数少于１６个，地址码设定为４位，同一系统中地址码不能重复。目的地 址的标识符定为ＩＤ３．ＩＤ０，源地址标识符定ＩＤ７．ＩＤ４。ＩＤ９．ＩＤ８定义为功能码，用 于表示报文所要实现的功能。两位标识符定义了４个功能码，分别是：００表示对 单个或多个节点写入数据；０１表示断开与电机控制系统从节点的通讯连接；１０表 示和电机控制系统从节点建立通讯连接；ｌｌ表示检测网络上的ＩＤ从节点是否存 在。ＩＤｌ０位定义为ＡＣＫ响应位，该位用来区分帧的类型。当响应标志位为０时， 表示发送的是命令帧，节点需要应答。但是如果发送的是广播帧，就不考虑响应标志位的值。当响应标志位为ｌ时，表示响应帧，此帧不用应答。在ＣＡＮ总线上，若同一个时刻，既有节点向总线上发送隐形电平‘１’，也 有节点发送显性电平‘０’，那么此时总线上表现出来的为显性‘０’。当总线空闲１９时，如果有多个节点同时需要发送报文，此时就要通过比较总线和节点发送位的 电平值来仲裁报文发送的先后顺序。若总线和发送节点电平一致，则上一个发送 的节点可以保持发送状态；若节点发送的为隐性电平‘１’却监测到显性电平‘Ｏ’， 那么该节点必须退出发送状态，只到等到下一次总线空闲的时候再参与总线的仲 裁竞争。因此，本控制系统中，当有多个节点同时争夺总线的控制权，ＩＤ最小的 那个节点将会胜出，所以在ＣＡＮ总线上，节点的ＩＤ越小，优先级越高。帧标志 符分配如表４．５：表４．５帧标志符分配表４．５．１．２数据部分使用规则 报文传输的帧类型包括４种【３４舶】：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧。数据 帧是用来发送数据的，承担着ＣＡＮ通讯网络中数据传输的重要任务，在设计电 机群控制系统时主要对数据帧进行设计。 ＣＡＮ一个数据帧包括了帧起始、仲裁场（标识符＋ＲＴＲ）、控制场、数据场 （０．８ｂｙｔｅｓ）、ＣＲＣ、应答场、帧结束：用户协议需要自行设计的为仲裁场，控制 场和数据场。控制场由６个位组成，标准格式里的帧包括数据的长度值、ＩＤＥ位、 保留位ｒ０。数据场包含０＂８个字节，每个字节有８位。第一个字节为命令，接 下来字节都为具体要发送的数据。表４．６命令格式表４．５．２数据传输数据通讯定义了电机通讯网络中数据的传输方式。电机群控制系统的ＣＡＮ 用户层协议通讯模式由主从方式和事件触发方式构成。在具体通讯过程中，两种 模式搭配使用，增强了通讯协议的灵活性。 主从方式通讯如图４．３是由网络中的主站向从站发送消息，从站接收到命令 后向主站发送一个响应表明消息已经收到。这种通讯方式在ＣＡＮ网络中应用最 多，它包含广播传送和点对点传送两种模式。广播方式是主站将消息发送给网络 上所有从站，从站都必须接受消息。将目标地址全部填成０的时候发送广播帧。在本设计中，电机群控制系统启动时需要对各个电机节点发送初始化信息，以便 确保网络中没有重复节点且每个节点都已处于待命状态。此时，即可由主控制器 向每个电机节点以广播帧的方式发送节点检测报文，每个节点无需匹配标志符都 必须接收报文。 点对点方式是指主站与某一个从站之间的通讯。这种通讯方式是先由主站发 出请求，从站在接收到消息后会回应主站。从站节点在没有收到主站请求时将不 会给主站传输报文。每个从站有且只有一个的地址（从０到１５）以此来区分总线上 的节点。在设计系统时，为保证加工的精确度，切割过程中ｘ轴和Ｙ轴电机都是 保持匀速运行。加工完成后，电机有一个向上移动减速至停止的过程。此时，主 站可以向刀头上下移动电机（Ｚ轴）以点对点方式建立通讯。图４．３主从方式通讯模式事件触发通讯模式是指在电机通讯网络中，从站不需要主站请求而主动向主 站发送报文。它支持定时循环发送和状态改变发送，这两种模式不能同时使用。 定时循环发送是从站按由主站设定好的时间间隔向主站发送数据；当检测到错误 报警条件的时候，从站会主动向主站传送数据，此时发送状态便改变了。在本系 统设计中，从电机节点在执行了位置速度命令后通过设置一个定时循环发送，及 时地把信息反馈给主站；在收到误码或缺失信息时，设置为状态改变发送。图４．４事件触发模式通讯２ｌ４．５．３网络传输状态监控网络传输状态监控的对象是ＣＡＮ通讯网络中节点状态和报文传输状态。对 于电机群控制系统网络管理，其主要任务是处理电机群网络通讯中的错误，协调 各个节点的状态，监控报文的发送情况。具体可以分为节点查错纠错和通讯查错 纠错两部分。 ４．５．３．１节点查错纠错 节点查错纠错是指对电机群控制系统总线上所有应用节点进行初始化，让每 个节点在通讯前处于准备状态。电机上电或者复位后，主站首先发送目标节点ＩＤ 检测报文来判断网络上是否有ＩＤ相同的节点。此时，如果主站接收到有目标节 点ＩＤ响应报文则该目标节点自动进入通讯错误状态。如果目标节点ＩＤ检测报文 发送成功，并且主站没有接收到响应报文，将会启动一个定时器等待１．５ｓ，看是 否能就收到目标节点ＩＤ响应报文。如果超过１．５ｓ还没有接收到目标节点ＩＤ响 应报文，那么从站电机自动进入可操作状态。此时，主站可以发送建立连接指令 与从站建立连接。通讯连接建立以后，主站就可以和从站进行通讯，发送和接收 数据。如果从站没有任何已建立的连接，不会与其它任何节点电机进行数据的交 换。节点电机进入错误状态，表明网络上至少有两个相同目标节点ＩＤ的设备， 因此进入错误状态的节点电机通常建议采用手动复位，并要排除总线网络上有重复的节目标节点ＩＤ响应报文图４．５网络节点ＩＤ检测４．５．３．２通讯查错纠错 电机群控制系统中的通讯查错纠错是管理网络中通讯的报文，保证报文能够 正常地接受发送。针对通讯的控制是按主站和从站之间的通讯时间间隔为依据来 进行的。通讯过程中可以设定一个循环发送定时器，由主节点来设定循环发送的 时间。主从节点建立连接后开始循环发送，超过设定的时间，将停止发送命令，定时器被清０。４．５．４、电机控制协议参数的定义电机控制协议参数是控制电机协同运动需要的操作指令，在本系统中对电机 协同运行时执行的命令参数定义见表４．７’表４．７电机指令参数表４．６多电机控制系统ＣＡＮ总线报文传输在多电机控制系统中选用的控制芯片ＳＴＭ３２均带有ｂｘＣＡＮ接口。在该芯片 的ｂｘＣＡＮ中一共包含三个邮箱用来发送报文。邮箱的报文发送顺序由发送调度 器决定。共有两个接收ＦＩＦＯ，并且每一个ＦＩＦＯ又可存放三个报文【３引。他们完全 由硬件来管理。软件通过对１４个标识符过滤器组编程，来实现在节点收到的报文 中选择其需要的报文，抛弃不需要的报文；完整的数据信息是通过报文来发送的。 ＣＡＮ总线网络中报文的传输主要分为三个部分：初始化总线、发送报文和接收报文。４．６．１总线初始化ｂｘＣＡＮ有３个主要的工作模式１３９１：初始化、正常和睡眠模式。硬件在初始化 模式时才能进行软件初始化。如果用软件对ＣＡＮＭＳＲ寄存器的ＩＮＲＱ位置‘ｌ’， ＭＳＲ的ＩＮＡＫ那么ｂｘＣＡＮ就进入初始化模式等待。通过硬件自动对寄存器ＣＡＮ位置‘１’来确认。在初始化模式下，是禁止让总线接受与发送报文的，并且ＣＡＮＴＸ 脚会输出隐性位。当初始化成功后，程序控制让其进入正常模式，并且ＣＡＮ总 线要同步，以方便能够正常接收与发送报文。当软件对ＩＮＲＱ清０时，就会进入 正常模式下，然后会等待硬件自动对ＩＮＡＫ位清０来确认。在ＣＡＮＲＸ引脚监测 到连续１１个的隐性位（相当于总线空闲）之后，ＣＡＮ总线才能正常接收与发送 报文。ｂｘＣＡＮ也能工作在低功耗的睡眠模式下。通过软件对寄存器ＣＡＮＭＣＲ的ＳＬＥＥＰ位置‘１’，用来请求进入睡眠模式。在睡眠模式下，虽然ＣＡＮ总线的时钟停止了，但是邮箱寄存器仍可以被软件来访问。当ｂｘＣＡＮ处于睡眠模式下， 软件必须对ＣＡＮ―ＭＣＲ寄存器的ＩＮＲＱ位置为‘１’，且同时对ＳＬＥＥＰ位清０之 后才能进入初始化模式。图４．６ ＣＡＮ工作模式结构图４．６．２报文的发送电机群控制系统通讯网络中报文的发送流程为：首先让应用程序指定一个空 的发送邮箱，对此邮箱设置标识符、待发数据和数据长度；然后软件对ＣＡＮＴＩｘＲ的ＴＸＲＱ位置‘１’，请求发送。此时邮箱不再是空邮箱，邮箱寄存器无法再进行 写入，邮箱的状态为挂号状态，并等待成为邮箱中优先级最高的一个。当邮箱优 先级最高时，它就会转变为预发送状态。只要ＣＡＮ总线上能收到报文，预发送 邮箱中的报文就立刻进入发送状态。当报文被邮箱发送成功之后立马变为空邮箱； 若发送成功则ＣＡＮ ＴＳＲ的ＲＱＣＰ和ＴＸＯＫ两位同时置‘ｌ’；若发送失败，如果 由仲裁引起，则ＣＡＮ ＴＳＲ的ＡＬＳＴ位置‘１’；如果由发送错误引起，则对ＴＥＲＲ 位置‘１’。在ＣＡＮ协议中规定，标识符值越高的报文享有的优先级就越低。如果标识 符值相同，就由邮箱号决定发送报文的顺序，邮箱号大的后被发送１４０１。还有另一 种发送模式，发送的优先级是由发送请求次序来决定的，把ＣＡＮ ＭＣＲ寄存器的 ＴＸＦＰ位置‘１’，发送邮箱就被设置为发送ＦＩＦＯ。 报文在发送过程中能够被停止发止，可以通过对ＣＡＮ ＴＳＲ寄存器的ＡＢＲＱ 位置‘１’来实现。如果邮箱处于挂号或者预定状态，发送请求立马就被中止。如 果邮箱在发送状态中，那么中止请求可能会出现两种结果：如果邮箱中的报文被 成功发送了，那么邮箱变为空邮箱，并且ＣＡＮ．．ＴＳＲ寄存器的ＴＸＯＫ位自动置‘１’； 如果邮箱中的报文发送失败，那么邮箱就变为预定状态，进而发送请求被中止， 邮箱变为空邮箱并且ＴＸＯＫ位被硬件自动清Ｏ。因此如果邮箱发送状态下，发送操作完成后，邮箱都会成为空置邮箱。４．６．３报文的接收下位电机节点收到报文后被储存在深度为三级的邮箱ＦＩＦＯ［４¨。邮箱ＦＩＦＯ不 需要由软件来管理，这样既减轻了ＣＰＵ的处理负担，同时保证数据的一致性也精 简了软件。４．６．３．１ＦＩＦＯ管理当ＦＩＦＯ接收到第一个有效报文时，便从空状态变为挂号状态‘１’，硬件自 动把ＣＡＮ―ＲＦＲ寄存器的ＦＭＰ［１：０】设置为０１ｂ。应用程序可以通过读ＦＩＦＯ输出 邮箱来读邮箱中的报文，然后对ＣＡＮ ＲＦＲ寄存器的ＲＦＯＭ位设置‘１’来释放 该邮箱，这样ＦＩＦＯ又成为了空状态。如果在释放邮箱的同一时刻，又收到一个 有效报文，那么ＦＩＦＯ仍然保留在挂号状态，软件可通过读ＦＩＦＯ输出邮箱来读出 新发送到的报文。 如果应用程序没有释放邮箱，那么在接收到下一个有效的报文后，ＦＩＦＯ状态 将变成挂号状态２，硬件自动把ＦＭＰ［１：Ｏ】设置为‘１０’。重复上述过程，第三个有 效报文把ＦＩＦＯ变成挂号状态３（ＦＭＰ［１：０】设置为‘ｌｌ’）１４２］。在这时，必须软 件对ＲＦＯＭ位置‘１’来释放该邮箱，否则，将会丢失下一个有效报文。如果ＦＩＦＯ 处于挂号状态３（ＦＩＦＯ的三个邮箱都是满的），下一个有效报文将会被溢出，并 且丢失一个报文。此刻，硬件会自动对ＣＡＮ ＲＦＲ寄存器的ＦＯＶＲ位置‘ｌ’来 表明出现溢出状况。至于哪个报文会被丢弃，决定于对ＦＩＦＯ的设置： 如果禁止用ＦＩＦＯ的锁定功能，那么新报文就会覆盖ＦＩＦＯ中最后收到的报文。只有这样才 能保证最新收到的报文才不会被丢弃。 如果启用ＦＩＦＯ的锁定功能（ＣＡＮ ＭＣＲ寄存器的ＲＦＬＭ位将被置‘１’，那么新收到的报文就会被丢弃，软件可读到ＦＩＦＯ 中最早接收到的三个报文。只要ＦＩＦＯ存储了１个报文，硬件就会自动更新ＦＭＰ［１：０］ 位，如果ＣＡＮ ＩＥＲ寄存器的ＦＭＰＩＥ位为‘１’，就会触发一个中断。 当ＦＩＦＯ三个报文都被存入时，寄存器ＣＡＮ ＲＦＲ的ＦＵＬＬ位就会被置‘１’。ＦＩＦＯ溢出时， ＦＯＶＲ位被置为‘１’，且如果ＣＡＮ ＩＥＲ寄存器的ＦＯＶＩＥ位为‘ｌ’，就会触发溢 出中断请求。 ４．６．３．２标识符过滤 在ＣＡＮ协议规范中，节点在接收到报文的时候，根据标识符值决定是否需 要该报文。为了只接收用户指定的报文，ｂｘＣＡＮ提供了十四个位宽可变的、能够 配置十四个过滤器组【４３。４５】。通过硬件过滤减少了ＣＰＵ的负担，否则就必须通过 软件方法来过滤，此种方法增加了ＣＰＵ的负担。电机群控制系统中需要对过滤器 和标识符匹配模式进行设置。过滤器有两种配置方式【４５４８】：１、屏蔽位模式；２、 标识符列表模式。屏蔽位模式：标识符寄存器与屏蔽寄存器共同指定报文标识符的任意１位，按照“必须完全匹配’’或“不需要关心’’来处理。标识符列表模式： 屏蔽寄存器同时也被当成标识符寄存器使用。因此，不是用１个标识符加上１个 屏蔽位的模式，而是使用两个标识符寄存器。接收到的报文，他们的标识符必须 跟过滤器标识符的每一位相匹配。在基于ＣＡＮ协议电机群控制系统中，采用２ 个１６位的过滤器，配置为标识符列表模式来实现对报文的过滤接收。过滤器配置 可参照图４．７：２个１６位过滤器一标；只符屏蔽屏：星ｆ： ！Ｃ；！ＡｉＮ！ ｊＦ！ｘｉ！Ｒ１ Ｉ［３１ ｛ｌＩ；： ：］： ：！Ｃ；！ＡｉＮ！｛盈ＦｘＲｌ 冉军：呈［： ！Ｃ；！Ａ ！Ｎ； ！ＦｊｘｉＲ！１２ １ ３１ ｛１ ５；： ：］ｉ： ：Ｃ！；Ａ！ｉＮ！｛圈ＦｘＲ２１ ３：Ｉ一‘ 。一。 一‘。 一。’ 一’一‘。一’ 。一｝’｝．ｉ；，屏蔽ｌ一：２４】ｌ―ｆ２３：１６ＪＩｒＩ。 。。。一。。’‘。。。。’。‘。。’。‘’。‘。’ｆ’ｌ：二。一 ｆ…’解蔽ｌ一：２４ＪＩ一６】Ｉ映像，ＳＴＩＤ（ＩＯ；３］ＳＩ＂ＩＤＩ＆－Ｏ］ＲＴＲＩＤＥＥＸｌＩ孙７．咽图４．７ １６位过滤器标识符屏蔽模式配置报文接收以后只要被存进ＦＩＦＯ中，应用程序就可以对此报文进行访问。一 般来说，报文当中的数据是被存放于ＳＲＡＭ中的；根据标识符来决定不同数据存 放于ＳＲＡＭ中合适的地方，通过这种方法将数据拷贝到适合的位置。根据过滤器 的不同配置，控制系统总线通讯过程中可能１个报文标识符能够通过多个过滤器 的过滤；在此种情况下，存放在接收邮箱中的过滤器匹配序号有设定好的优先规 则。其规定是Ｈ９－ｓｏ］：１、１６位过滤器的优先级低于３２位的；２、过滤器位宽一致 时，标识符列表优先级高；３、位宽和模式都一样的时候，过滤器号小的优先级高。４．７本章小结本章研究了ＣＡＮ总线协议的分层结构、电气特性、查错纠错机制和总线上 报文发送接收的工作流程及其具体的实现方法，编制了电机群控制系统的应用层 协议。第五章电机群控制系统的软件设计与实现电机群控制系统软件设计与实现主要分为３个部分：ｌ、主控制器插补运算实 现；２、电机控制系统ＣＡＮ通信软件实现；３、下位机驱动电机编程。主控制器 发送接收模块向各个电机的运动控制器发送接收模块发送运动信息（位置、速度 等），等待来自各运动控制器发送接收模块反馈回来的信息；运动控制器发送接收 模块接收到来自主控制器的命令后，对命令进行解析，执行相应的操作控制电机 运行，并将电机的运动状态信息反馈给主控制器发送接收模块。ＣＡＮ通讯模块负责主控制器发送接收模块与各运动控制器发送接收模块之间数据的通讯。系统软件流程图如图５．１所示：………………………………………一一图５．１系统软件流程图５．１软件开发环境课题中程序编译器采用的是美国Ｋｅｉｌ Ｓｏｆｔｗａｒｅ公司出品的Ｋｅｉｌ ｕＶｉｓｉｏｎ４软件开发系统，用Ｃ语言编写程序，通过Ｋｅｉｌ ｕＶｉｓｉｏｎ４编译为机器码，把ＨＥＸ可执 行文件下载到单片机中。该软件支持各个公司的ＭＣＳ５１架构的心－ｔｔ－片以及ＡＲＭ。 它集合编辑，编译，仿真于一体，易学好用。可以与示波器、逻辑分析仪相连以 实现实时分析，调试程序和在线仿真操作都相当便捷。图５．２为Ｋｅｉｌ ｕＶｉｓｉｏｎ４程 序调试界乜竺’生翟竺尘型塑蔓…一一。塑，一型燮ｇ鳓！坠兰墼 Ｐｔ！Ｐ＾ｅ哺’ｊ！曲 ￡ｄ＾』憎旦ｑ￡ｄＦ礓：＾２ｆｂ。口 呻ｌｏ口ＨＳＶ（５鸶灞‘黢彬照燧一数一叠堡塑燮型！！竺塑…一坐｝ｎｄｄｗ Ｅｆ岫生Ｉ二二…一鍪篷翟鍪爱幽窆篓兰嚣蚕翟甄蚤￡二二：：＝二二Ｊ；．?“”嚣二∞二＿ ，＾墨ｊ―Ｊ。’柚争￡￡?，’．ｉ矿国?≯避；二～ＩＢｉｊＳＴ！ＶＩｌ２１０３｝口‘ｔ．’，陲ｓ蠹雷ｔｒｅｅ圜ｔｏｏｌ篇ｄｅ编ｌａｙ ｍｓ（２００）澎；＝： ｌ 匿Ｐ蠹≯；ｌ：蓦怒？｛园ｏＡｂｏ．１Ｉ／／／／／／ｉ／ｆ／／｝／／寝用系统扔始亿 上电启动提示王伯外 【嚣’ｉ １１Ｉ／／１１１／Ｉ／／／／ｔ１１／ＩＩＩＩ／／／主循环／Ｊ｝硝图５．２ＫｅｉｌｕＶｉｓｉｏｎ４程序调试界面５．２多电机控制算法与实现在数控加工中，要根据运动轨迹的起点和终点的位置以及曲线方程，要使切 削加工运动沿着预定的曲线轨迹移动。数控系统根据加工任务，计算出一系列刀 具的加工点，再用基本的线型完成数据的密化工作。每种线型都有不同的计算方 法来实现，该计算方法即为插补算法。插补对数控系统的性能指标非常重要，直 接影响系统的控制速度和精度。插补算法经过几十年的发展，越来越成熟。插补 算法可以概括地分为两种【５ｌ】：脉冲增量插补和时问分割法插补（又称数据采样捅补）。它们都有各自的特点。 文献［５ １】中提到脉冲增量捅补是通过向各个运动轴分配脉冲来控制机床各轴相互协同运动。脉冲增量插补算法仅需要加法和移位操作就可完成，但是速度比 较慢，比较适合中等精度和中等速度的机床数控系统。脉冲增量插补算法有很多种，比较典型的是逐点比较法跟数字积分法。逐点比较法的原理是【５２】：计算机在 控制加工过程中，可以逐点地计算和判别加工偏差以控制坐标进给。该法一般不 用于多轴联动，应用范围有一定的限制。数字积分法是在数字积分器上建立的一 种方法，它运算速度快，易于实现多坐标轴联动。 时间分割法插补１５３】是根据数控加工需要的进给速度，分为粗插补和精插补两 步多曲线进行加工。在加工过程中，把曲线分为一系列微小线段并且分配到各坐 标轴，各轴按照每一线段对应的位置增量数据实现进给。时间分割算法与脉冲增 量插补算法做大的区别是：它输出的是位置增量的数字量而不是单个脉冲。时间 分割插补算法运算速度快，能保证插补的实时性、同时计算的复杂度也相对比较 低。本课题的多电机控制系统选用时间分割法实现圆弧插补运算。 时间切割法一般分为初粗插补和精插补两步进行：粗插补计算出每个插补周 期内坐标位置的增量，而精插补则将数据做进一步的密化。对于本电机群控制系 统，在加工某一直线段或圆弧段的加工指令中，上位ＰＣ机给出的进给速度ｖ，每 隔时间ｔ（插补周期）进行一次粗插补运算，计算出一个插补周期内的位置进给 量ｆ发给主控制器。主控制器进行精插补计算，将刀具运动轨迹分解在各坐标轴 上，计算出每个节点电机位置的进给量，通过ＣＡＮ总线给各节点电机发送插补 增量，通过驱动模块使电机完成预定曲线的加工。租插补周期设为插补周期Ｔａ， 精插补周期设为位置控制周期Ｔｂ。Ｔａ和Ｔｂ取值跟指定的系统决定，且Ｔａ＝ｎＴｂ， ｎ是自然数。Ｔａ跟Ｔｂ的取值对曲线加工的精度会产生影响，Ｔａ不能取值过大， 因为出插补周期越长，每一段分成的微小线段也就越长，那么插补误差也会随之 增大。所以，为避免误差过大Ｔａ应该取比较小的值，但是若Ｔａ的值太小，ＣＰＵ 可能来不及处理其它的任务，因此Ｔａ取的值不能小于插补运算时间和完成其它任 务所需时间之和。而Ｔｂ还可能会对影响系统的稳定性到来一定影响，在本电机 群控制系统中Ｔａ＝１０ｍｓ，Ｔｂ＝０．５Ｔａ＝５ｍｓ。５．２．１时间分割法直线插补方法实现”图５．３直线坐标图为第一象限直线，其插补规律如下。切割刀头的起始点为Ｎｉ．１，移动到目 标位置Ｎｉ。沿直线方向的增量ＤＬ＝Ｆ｝Ｔａ，沿Ｘ轴方向增量为ＤＸ，沿Ｙ轴方向的 增量为ＤＹ，则ＤＸ＝ＤＬ＊Ｘｅ＼Ｌ，ＤＹ＝ＤＬ＊Ｙｅ＼Ｌ。其中，Ｌ为轮廓直线的长度，其满 足等式：Ｌ２＝Ｘｅ２＋Ｙｅ２ｔ５６Ｊ。Ｎｉ点的坐标可以用前面一个点的坐标表示： Ｘ＝Ｘ＋Ｄｘ，Ｙ＝Ｙ＋ＤＹ，因此可以设计第一象限时间分割直线插补算法流程图。图５．４直线插补算法流程图５．２．２时间分割法圆弧插补实现时间分割法圆弧插补是一种微分的思想，把圆细分成很多等分，每－ｄ，段圆 弧用切线、弦线或割线来代替，用直线去逼近圆弧。在电机群控制系统中通过插 补运算，计算出每个周期内Ｘ轴进给量Ｘ然后控制电机协调进给，其合成轨迹就 是一段弦或割线。切线法与脉冲方式ＤＤＡ插补在本质上是相同的，由于误差比 较大，在实际的数控系统中并不使用。图５．５圆弧坐标该系统中选用控制精度比较高的弦线法。假定要加工一段顺圆圆弧，如图５．５ 所示圆弧处于第一象限。考虑用弦线来逼近圆弧，Ａ点是起始点，Ｂ点通过插补 计算要到达的目标地点，圆弧的半径是Ｒ，弦ＡＢ是每个插补周期进给的步长△Ｌ， Ｍ为弦的中点，过Ａ点的切线为ＡＰ。插补规律和插补算法流程图如图５．６：Ｉ区：△Ｘ ｆ＝（】，ｊ―ｌ＋△】，ｊ―ｌＸ０．５）ＸＦ?Ｔ，／Ｒ△Ｙｊ＝一Ｙ，一ｌ＋（Ｒ ２一（Ｘ ｊ一１＋△Ｘ ｊ）２）１／２Ｘ ｊ＝Ｘ ｆ―ｌ＋Ａ ＸＹｊ＝Ｙｊ一１＋△ｙｆｊⅡ区：△Ｙｆ＝（ｘ ｆ一１＋△ｘ△Ｘ，＝ｆ―ｌＸ０．５）×Ｆ?Ｔ，／Ｒ一Ｘ ｊ―ｌ＋（Ｒ ２一（】，ｊ―ｌ＋△ｌ，ｆ）２）１／２Ｘ ｆ＝Ｘ Ｉ―ｌ＋△彳ｊＹｌ＝Ｙｆ―ｌ＋△】，，Ⅲ区：△Ｘ，＝（】，ｌ―ｌ＋△】，ｆ一１Ｘ０．５）×Ｆ?Ｔ，／Ｒ△Ｙ，＝一ｙ，一ｌ一（Ｒ ２一（Ｘ。一ｌ＋△Ｘ；）２）１／２Ｘ ｊ＝Ｘ ｆ―ｌ＋△ＸＹｆ＝Ｙｊ一１＋Ａ ＹｆｉⅣ区：△Ｙｆ＝（ｘ，一ｌ＋△ｘ△Ｘｆ＝ｆ―ｌＸ０．５）ＸＦ?Ｔ，／Ｒ一Ｘ，一ｌ一（尺２一（】ｒｆ―ｌ＋△ｌ，ｉ）２）１／２ｌＸ ｔ＝Ｘ ｉ一１＋Ａ ｘＹｆ＝Ｙｊ―ｌ＋△ｌ，ｆ图５．６圆弧插补算法流程图Ｙ＝－Ｘ＼厂入ｆ【ｘ１＞【Ｙ１【Ｘ】‘／／＼１ ／／【ｘ】＞【Ｙ】＼Ｖ＼Ｙ＝Ｘ必３２＼２区尹Ｖ＼／／Ｊ’：／＼＼图５．７象限分区图圆以Ｘ轴，Ｙ轴对称，可以分为４区。图５．７所示是圆的分区图。数控技术 中有镜像编程这一思想。镜像编程的概念来源于平面镜成像原理，物跟像是关于 镜子对称的‘５７ｉ。物体跟其关于平面镜所成的像具有相反的动作。根据这一规律， 对于圆和椭圆这一类对称的图形，可以用镜像编程的思想将顺时针加工和逆时针 加工进行简化。以顺时针圆弧为例，按顺时针方向编制圆弧的插补算法。在加工 逆时针方向的圆弧时，只需要改变程序中脉冲的方向即可，不需要重新再写程序。 采用这种方法可以很好地提高加工的精度和效率。 部分程序如下：ｄｏｕｂｌｅｘＯ，ｙＯ，ａｒｃｉ，ａｒｃｅ，ｘｔ，ｙｔ；／／ｘ０，ｙ０是圆弧起始位置坐标，ｘｔ，ｙｔ圆弧目标 位置坐标，ａｒｅｉ，ａｒｅｅ是圆心对应圆弧起点的坐标增量ｌｉｎｅ＿ｓｔｅｐ（ｘ０＋ａｒｃｉ，ｙ０＋ａｒｃｅ，ｘ０，ｙ０，＆ｓｔａｒｔ＿ｓｔｅｐ，＆ｄｅｌｔａｘ０，＆ｄｅｌｔａｙ０）； ／／计算圆弧起点位置与Ｘ轴的夹角 ｒ０＝ｓｑｒｔ（ｄｅｌｔａｘ０掌ｄｅｌｔａｘ０＋ｄｅｌｔａｙ０宰ｄｅｌｔａｙ０）；／／计算圆弧的半径ｌｉｎｅ＿ｓｔｅｐ（ｘ０＋ａｒｃｉ，ｙ０＋ａｒｃｅ，ｘｅ，ｙｅ，＆ｅｎｄ＿ｓｔｅｐ，＆ｄｅｌｔａｘｅ，＆ｄｅｌｔａｙｅ）；／／计算圆弧终点位置与Ｘ轴的夹角ｉｆ（ｔｙｐｅＢ一２）ｔｏｔａｌ―ｓｔｅｐ ２ｓｔａｒｔ＿ｓｔｅｐ―ｅｎｄ＿ｓｔｅｐ； ｅｌｓｅｔｏｔａｌ―ｓｔｅｐ＝ｅｎｄ＿ｓｔｅｐ－ｓｔａｒｔ＿ｓｔｅｐ；／／计算整段圆弧所对应的圆心角 ｉｆ（ｔｏｔａｌ―ｓｔｅｐ＜Ｏ）ｔｏｔａｌ―ｓｔｅｐ＋＝６．２８３ １ ８５３０８； ｄｅｌｔａ＿ｓｔｅｐ２２幸ｓｑｒｔ（２幸ｂｏｗ＿ｈｉｇｈ幸ｒ０－ｂｏｗ＿ｈｉｇｈ宰ｂｏｗ＿ｈｉｇｈ）／ｒ０； ／／计算最大弦线对应的圆心角，其中ｂｏｗｄａ０＋＝ｄｅｌｔａ＿ｓｔｅｐ； ｈｉｇｈ＝ｌ／／计算该次插补的圆心角ｉｆ（（ｔｏｔａｌ―ｓｔｅｐ―ｄａ０＋０．０００００ １）ｉｆ（ｍｖｔｙｐｅ＝＝２）ｆａ＝ｓｔａｒｔ＿ｓｔｅｐ―ｄａ０；ｅｌｓｅ ｆａ＝ｓｔａｒｔ＿ｓｔｅｐ＋ｄａ０；ｌｘｅ＝ｉｘ０＋ｉａｒｃｉ＋ｒ０宰ｃｏｓ（ｆａ）；ｌｙｅ＝ｉｙ０＋ｉａｒｃｊ＋ｒ０＊ｓｉｎ（ｆａ）；／／计算该次插补的终点坐标ａｄｅｌｔａ １＝ｄｒｏｕｎｄ（１ｘｅ）－ｄｒｏｕｎｄ（１ｘＯ）；ａｄｅｌｔａ２＝ｄｒｏｕｎｄ（１ｙｅ）一ｄｒｏｕｎｄ（１ｙ０）；／／计算各轴移动的分量５．３电机群控制系统节点间通信实现电机群控制系统控制芯片ＳＴＭ３２集成ｂｘＣＡＮ。ｂｘＣＡＮ是基本扩展ＣＡＮ（ＢａｓｉｃＥｘｔｅｎｄｅｄＣＡＮ）ｆ拘缩写，它支持ＣＡＮ协议２．０Ａ和２．０Ｂ。ｂｘＣＡＮ有３个发送邮箱和两个３级深度的接收ＦＩＦＯ。总线上以发送邮箱为载体来发送报文。５．３．１报文发送应用程序选择１个空置的邮箱，设置好标识符，数据长度和待发送的数据及 命令，请求等待发送。当总线空闲时，数据将立刻发送出去。报文发送流程图如图５．８：图５．８报文发送流程图部分程序如下： ＣＡＮ―Ｉｎｉｔ（ＣＡＮ １，＆ＣＡＮ―ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）；初始化ＣＡＮＦｉｌｔｅｒＩｎｉｔ（＆ＣＡＮ ＦｉｌｔｅｒＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）；过滤器配置ＣＡＮ―ＩＴＣｏｎｆｉｇ（ＣＡＮ １，ＣＡＮ―ＩＴ―ＦＭＰ０，ＥＮＡＢＬＥ）；使能ＣＡＮ中断 ＴｘＭｅｓｓａｇｅ．ＳｔｄＩｄ＝０ｘ０００；标准ｉｄＴｘＭｅｓｓａｇｅ．ＥｘｔＩｄ＝０ｘ００；扩展ｉｄＴｘＭｅｓｓａｇｅ．ＲＴＲ＝ＣＡＮ―ＲＴＲ＿ＤＡＴＡ；数据帧ＴｘＭｅｓｓａｇｅ．ＩＤＥ＝ＣＡＮＩＤＳＴＤ；远程帧ＴｘＭｅｓｓａｇｅ．ＤＬＣ＝１；数据长度，最多可发送８个 ＴｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［０】＝０ｘ０ １； ＣＡＮ＿Ｔｒａｎｓｍｉｔ（ＣＡＮｌ，＆ＴｘＭｅｓｓａｇｅ）；启动发送ｖｏｉｄ ＣＡＮＳｅｎｄＩｎｉｔ（ｕ８ ａｄｄｒ），初始化节点，ａｄｄｒ为目标地址，当ａｄｄｒ值取ＯＸＯＯ时，表示广播，各节点都收到信息；ｖｏｉｄＣＡＮＳｅｔＣｏ（ｕ８ａｄｄｒ，ｓ３２ｃｏ），设置坐标，ａｄｄｒ为目标地址，ＣＯ为设置的坐标：ｖｏｉｄ ＣＡＮＳｅｔＳｐｅｅｄ（ｕ８ ａｄｄｒ，ｓ３２ｓｐｅｅｄ），设置速度，ａｄｄｒ为目标地址?，ｓｐｅｅｄ为设置的速度；５．３．２报文接收下位机通过标识符过滤，接收到的有效报文被存储在３级邮箱深度的ＦＩＦＯ 中。下位机控制芯片从ＦＩＦＯ中提去数据驱动电机运行。报文接收流程图如图５．９：图５．９报文接收流程图部分主要代码如下：ｖｏｉｄＣＡＮＩ―Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ），在此函数中设置过滤器，波特率以及管脚配置、中断配置；ｖｏｉｄＩｎｉｔ＿ＲｘＭｅｓ（ＣａｎＲｘＭｓｇ幸ＲｘＭｅｓｓａｇｅ），初始化接收帧； ＵＳＢ―，ＬＰ――ＣＡＮｌ――ＲＸＯ―．ＩＲＱＨａｎｄｌｅｒ（ｖｏｉｄ）ｖｏｉｄ｛，／下位机ＣＡＮｌ接收中断处理函数，更新线圈和寄存器。通过ｓｗｔｉｃｈ语句 来实现不同信息的处理。ｓ３２ ｄａｔ＝０；ｓ３２ ｄａｔｌ＝０；ｕ８ ｉ；ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｓｔｄｌｄ＝０ｘ００； ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｅｘｔｌｄ＝０ｘ００； ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．ＩＤＥ＝Ｏ； ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．ＤＬＣ＝０； ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．ＦＭＩ＝Ｏ； ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜８；ｉ＋＋）｛ ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［ｉ】＝０ｘ００；‘）ＣＡＮ―Ｒｅｃｅｉｖｅ（ＣＡＮ １，ＣＡＮ―ＦＩＦ００，＆ＲｘＭｅｓｓａｇｅ）； Ｉｆ（ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．ＩＤＥ＝＝ＣＡＮ―ＩＤ―ＳＴＤ）３５｛ｄａｔｌ＝ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［０］；ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｓｔｄｌｄ＝０ｘ０４；／／保存数据．／／给统一的标识符，接收广播信息ＣＡＮ―Ｒｅｅｅｉｖｅ（ＣＡＮ ｌ，ＣＡＮ―ＦＩＦ００，＆ＲｘＭｅｓｓａｇｅ）； ｗｈｉｌｅ（ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［０］！＝２）；／／等待下一个中断，得到标志执行启动ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［０］＝ｄａｔｌ；／／恢复数据ｓｗｉｔｃｈ（ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［０］） ｛＋ｃａｓｅ０ｘ００：／／站点初始化Ｒｅａｓｔ＿Ｓｈｏｗ（）；ｂｒｅａｋ；ｃａｓｅ０ｘ０１：／／设置速度ｄａｔ＝（ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［１］＜＜２４）ｌ（ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［２］＜＜１ ６） ｌ（ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［３］＜＜８）Ｉ ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［４］；ＳＴＥＰｅｏｎｔｉｒｕｎ（ｄａｔ）；ｂｒｅａｋ；ｅａｓｅ０ｘ０２：／／设置坐标ｂｒｅａｋ；ｃａｓｅ０ｘ０３：ｂｒｅａｋ；ｃａｓｅ０ｘ０４：ｂｒｅａｋ；ｃａｓｅ０ｘ０５：ｂｒｅａｋ；ｃａｓｅ０ｘＦＦ：ｉｆ（ＲｘＭｅｓｓａｇｅ．Ｄａｔａ［１］） ｛ＬＥＤ――ＯＮ（ＬＥＤｌ）； ＞ｅｌｓｅ｛ＬＥＤ―．ＯＦＦ（ＬＥＤ １）；＞ｂｒｅａｋ； ｄｅｆａｕｌｔ： ｂｒｅａｋ；））５．４电机加减速控制方法在步进电机控制系统中，如果信号变化太快，由于惯性步进电机会跟不上电 信号的变化，可能出现赌转和失步现象。因此，步进电机启动时，必须有一个加 速过程，停止时有一个减速过程。 电机在加工时一般都会有一个最大速度Ｖｍａｘ和最小速度Ｖｍｉｎ［６１】。电机必 须在该速度范围内运行。当速度过大时，电机可能跟不上，出现失步现象从而带 来加工上的误差。当速度太小时，电机可能无法起步。在实际的切割加工中，特 别是针对比较大的工件，从坐标原点到加工起点之间距离很长，电机可以在这一 区间加速。在加工结束后刀具将垂直向上移动一段距离，因此可以在这一直线段 区间让电机停下来。刀具在整个加工过程始终是匀速运动的，从而可以提高加工 过程的精度和平滑度。 由于每次起始停止的直线段距离不同，可以将电机加减速过程分为３类： （１）足够长的直线段，电机通过加速达到最大速度Ｖｍａｘ，保持匀速状态一段 时间，再匀减速至停止； （２）长度适中的直线段，当电机通过匀加速运动达到做大速度Ｖｍａｘ后，马上 匀减速至停止，没有匀速行驶的过程； （３）直线段的长度较短，即电机还没匀加速到最大速度Ｖｍａｘ，就开始匀减速 至停止，没有匀速行驶的过程。，一一一一一一一一一一一一一一一一～、。／、。／－、ＶｄｃｌＩ’、 ｖｍｌｎ ‘、 ’、――．．―――．．．―．．．．．／ＶｄｅＩｔ、，ｍｉｎ―．―．―――．―．．．．．―。／．，／图５．１０电机速度梯形变化图电机群控制系统中设计以周期为２毫秒进行一次加速或减速。加速或减速的 值可以自行设定，实际的加速度计算是（１０００＋加速值）／１０００／０．００２。另外可以 通过定时器产生中断进行脉冲计数，当运行的脉冲数超过一半时还未完成加速过 程，就不再继续加速而是直接进入减速阶段。当运行脉冲足够时，在匀加速到匀 速时就开始计算达到匀速所需的脉冲数目，当运行的脉冲数减至加速所需的脉冲 时，就开始匀减速。电机加减速控制具体流程见图５．１ｌ。３７图５．１１步进电机加减速控制流程图部分程序如下。ｖｏｉｄ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ（）函数用于计算出电机做加减速运动周期次 数、匀速运动周期次数、最大进给速度；ｎｅｘｔ Ｓｔｅｐ（ｉｎｔｊ）用于求第ｊ个周期的插补 值。ｖｏｉｄｐｒｅｐａｒｅ（）｛ｎ＝（ｉｎｔ）（ｍａｘＶ／ａ）；／／加速周期次数 ｉｆ（（ｉｎｔ）（ｄ／ｍａｘＶ）＞ｎ）｛／／可以达到Ｖｍａｘ ｖ＝ｍａｘＶ；／／取Ｖｍａｘ．ｍ２（ｉｎｔ）（ｄ／ｖ）一ｎ；／／匀速周期次数ｔｏｔａｌＳｔｅｐ＝２?ｎ＋ｍ；／／总周期次数ｄｏｕｂｌｅｄｅ＝ｄ一（ｍ＋ｎ）?ｖ；／／剩下的距离ｉｆ（ｄｅ＞Ｏ）｛／／有剩余距离ｄｏｕｂｌｅ ＶＣ＝（ｎ＋１）幸ａ―ｖ；ｉｆ（ｄｅ＜＝ｎ毒ｖｃ）｛ｄｅｌｔａＶ＝ｄｅ／ｎ；＞ｅｌｓｅ｛ｄｅｌｔａＶ＝（ｄｅ＋ｖｅ）／（ｎ＋１）；ｔｏｔａｌＳｔｅｐ＋＝ｌ；）） ｝ｅｌｓｅ｛／／２不到指定Ｖ ｍａｘ的情况 ｎ＝ｓｑｒｔ（ｄ／ａ）一１；／／计算加速周期数 ｖ＝（ｎ＋１）木ａ；／／最高速度 ｍ丢（ｉｎｔ）（ｄ／ｖ）一ｎ；／／匀速周期数 ｔｏｔａｌＳｔｅｐ＝２宰１１＋ｍ；／／总周期数ｄｏｕｂｌｅｄｅ＝ｄ一（ｍ＋ｎ）?ｖ；／／剩下的距离ｉｆ（ｄｅ＞０）｛／／有剩余距离 ｄｅｌｔａＶ＝ｄｅ／（ｎ＋１）； ｔｏｔａｌＳｔｅｐ＋＝１；））｝ｎｅｘｔＳｔｅｐ（ｉｎｔ ｊ）｛ｉｆ（ｊ＜ｎ）｛／／加速阶段ｒｅｔｕｍ ｊ幸ａ；＞ｅｌｓｅ ｉｆ（ｊ＜＝ｍ＋１１）｛／，匀速阶段ｒｅｔｕｒｎ Ｖ；｝ｅｌｓｅ ｉｆ（ｊ＜＝ｔｏｔａｌＳｔｅｐ）｛／／减速阶段ｒｅｔｕｒｎｖ＋ｄｅｌｔａＶ一（ｉ―ｍ―ｎ）?ａ；）ｅｌｓｅ｛／／超出总周期数，无效ｒｅｔｕｒｎ ０；＞｝５．５本章小结本章介绍了电机群控制系统的软件开发环境。研究直线、圆弧插补算法，采 用镜像编程的方法实现圆弧插补提高了系统效率。完成了电机群控制系统节点问 通信软件设计以及电机加减速的控制方法。第六章实验调试及结果讨论如图６．１所示，为控制ＰＣＢ丌发板。该开发板集成了主控芯片ＳＴＭ３２，电机 驱动芯片ＬＶ８７３１Ｖ、通讯接口有各模块之问进行通讯的ＣＡＮ接口，主控制器与 ＰＣ机通讯的ＲＳ４８５接口。图６．２中是连接好的主控制器与分别驱动Ｘ轴和Ｙ轴 的两个下位控制器。以两个电机为模拟对象，对系统进行多机协同通信测试，验 证ＣＡＮ用户高层协议的可行性。图６．１控制模块开发板图６．２主控制器与Ｘ、Ｙ轴控制器主控制器（节点１）向Ｘ轴（节点２）和Ｙ轴（‘肖点３）两个电机的控制器 发送指令，将ＬＡｌ０３２逻辑分析仪直接接入节点２和节点３的控制芯片的ＴＩＭｌ上，同时测量节点２和节点３的脉冲波形，通过对比分析两电机的协Ｉ司１：作情况及ＣＡＮ通讯协议的通信效果。 节点１先发送一个，’４播帧对各站点进行初始化，再向节点２、节点３同时发送周期为１４０ｕｓ，占空比为５０％的脉冲；１ｍｓ以后，向节点２、：肖点３发送周期为１ ４ｕｓ，占空比为５０％的脉冲，两种频率不同的脉冲交替发送，相隔时问为１ ｍｓ。逻辑分析仪观察到节点２和节点３的波形图。 在学习ＣＡＮ总线之初，多机之间的通讯思路比较简单，将初始化设置配好， 节点上电直接启动发送数据。图６．３是早期所写的ＣＡＮ多机通讯程序的波形图。 由图中可以观察到两点机的同步误差在３７０ｕｓ幺：右，误差相对来说比较大。 图６．４是按编制的ＣＡＮ通讯协议发送数据获取的波形图。采用了主从通讯模 式和事件触发模式相结合来实现总线上数据的传输。可以看出，两节点电机的执 行命令的时问差在２０ｕｓ左右。表明通信协议是可行的，两电机的同步控制误差比较小。爱ＣＡｔ！－Ｉ：瑚，ｒ－Ｉｌｌａ｝口ｘ砖专曩｜ 口Ｙ≈；曼图６．３莲ｃ削?ｌ砷Ｖ１．ｔｚｌａFＦ｛匿喾圜圈础圈避露豌‘．．．－－．＿－＿．＿－＿＿＿．＿一Ｉｉ．『Ｉ：０：：Ｃ一二ｉ，ｅ：０：０Ｔ：：．５：０：０Ｔｓ２ Ｃ：：０：一；二１５０：０：－；三．ｊ０：０：－：Ｉ，ｆ｛ｌｌ－ｌＩ．．１蚓６．４４ｌ结论本文以ＳＴＭ３２ＲＢＴ６ ＡＲＭ芯片为主、从控制器，通过ＣＡＮ总线利用总线广 播模式实现电机群协同控制系统的设计。为方便实验验证，选用两个电机为试验 对象，对系统进行多机协同控制测试。主控制器向两节点电机的控制器发送指令， 两电机均可收到控制信号，但在没使用本文编制的ＣＡＮ总线应用层通信协议时， 两节点电机的同步误差在３７０ｕｓ左右，误差相对来说比较大，使用本文的ＣＡＮ总 线应用层通信协议后，两节点电机的执行命令的时间差在２０ｕｓ左右。 论文主要工作如下： ｌ、设计了电机群控制系统的总体方案。该方案针对电机群控制系统需要满足 的性能指标，选择了基于ＣＡＮ总线的智能总线控制模式。 ２、实现了电机群控制系统的硬件设计。通过对多种控制芯片的比较调研，选 择ＳＴＭ３２作为控制系统的主控芯片。利用ＳＴＭ３２的各个模块及外围辅助电路构 建了控制系统的硬件框架。包括：主控制器电路的设计；总线网络上ＣＡＮ接口 电路设计；电机驱动电路设计；与ＰＣ机通讯的ＲＳ４８５电路设计。 ３、设计了一套有针对性的ＣＡＮ总线用户高层协议。对于该电机群控制系统， 选择使用适合电机群系统的ＣＡＮ２．０Ｂ协议标准帧格式，制定了１１位标识符的分 配规则、通讯网络中的管理规范、配置报文接收过滤器以及ＣＡＮ通讯过程中错误处理方法。４、实现了电机群控制系统的软件设计。软件设计方面采用模块化设计方法， 实现了系统各模块的功能。包括：切割加工所需的圆弧、直线插补；电机加减速 的控制；ＣＡＮ用户通信协议程序编写。 论文主要创新点如下： １、采用ＳＴＭ３２控制器与ＣＡＮ总线相结合的智能总线型控制模式。ＳＴＭ３２ 内部集成了ＣＡＮ收发器，简化了外围电路，使结构更加紧凑。 ２、根据ＣＡＮ总线协议规则，自行制定了一套有适用于电机群控制系统应用 层协议，经实验结果表明电机同步控制误差在２０ｕｓ左右，同步效果较好。 本系统的设计和调试是在实验室完成，在实际应用时，必须在抗干扰等方面 进一步开展研究。参考文献【ｌ】刘福才，张学莲，刘立伟．多级电机传动系统同步控制理论与应用研究【Ｊ】．控制工 程．２００２，１２（５）：３７―３９ 【２】杨自厚．控制系统的发展概况［Ｊ】．基础自动化，１９９４，６（３）：ｌ一２０ 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