多轴伺服驱动数控系统的CAN总线控制

2 系统通信的计算

　　对于多轴伺服驱动数控系统的运动控制系统来说，主要是和各轴的伺服驱动器之间进行数据通信，传输距离不大，但涉及到了复杂的多轴同步协调运动控制，因此对通信速率、确定性和实时性都提出了很高的要求。同时还希望体积和功耗都尽量小，总线与上层计算机和下层驱动器的接口，最好是有现成的统一的标准，以方便设备的选用和连接。前述CAN总线的特点，正好可以满足要求，而且CAN总线的基本线路成熟，其下层的相关元器件和开发系统在市场上均容易找到，价格也能够接受，这将会节省大量的硬件开发时间和经费。在综合技术的先进性和实用性两方面的考虑之后，我们选择了CAN总线。

　　多轴伺服驱动数控系统下肢共15个自由度：其中腰部3个，髋驱动轴3个，膝驱动轴1个，踝驱动轴2个，采用国际上先进的基于现场总线和数字式伺服驱动器的分布式系统结构。在结构方案中，上位计算机选用两台嵌入式S3C44BOX(S3C4480X是嵌入式Pc的机械电器标准，它采用堆叠式模块化结构，将各S3C44BOX功能块叠在一起)，来完成数控设备运动的步态轨迹规划、补偿校正和各驱动轴的动作协调。系统由两个S3C44BOX和两条CAN总线网络构成，分别控制多轴伺服驱动轴，两台S3C4480X之间，通过以太网卡进行通信。对下层的每一个伺服节点(自由度)要设计一块与CAN总线的接口电路板，完成对轴的角度和角度速度的闭环控制。接口电路板带有CAN总线通信控制器(PHIuPs82c200、SJAl000或INTEI．,82527等)、CAN控制器接口82C250、80C196KC单片和DA芯片等。该方案的整体结构如图1所示。

　　通信的数据量估计：主控制器每次向每个控制接点发送3个数据(包括转角、角速度、角加速度或转矩)，每个控制节点向主控制器回送2个数据(包括转角、角速度)，每次收发共5个数据，每个数据占2个字节(Bytes)，总共需要lO个字节。考虑到CAN总线的数据帧结构和帧间空间，保守的估计，每次发放的实际数据量是理论传输数据量的3倍；下肢CAN总线有15个控制节点，每隔20rim主控制器S3C44BOX与总线连接的各个节点要完成一次数据通信，50次／s，由上可以估算出数据传输的速度：

　　50X15×3 X5X2Bytea×8Bits=180 kbps．

　　而CAN总线的最大数据传输速率可达1 M bps。完全能够满足实现多轴协调运动所需的数据传输要求。上位机与下层节点的通信采用中断方式：上位机在每个控制周围(20ms)的开始时刻，依次对下层的各个伺服节点进行数据发收交换；下层节点接在收到上层指令数据之后，发送采样所得的返回数据给上位机，并由上层广播发布的同步指令指挥同步执行。

3 结束语

　　(1)采用CAN总线不但大大减小了体积，节省了空间，而且和上位机S3C44BOX的连接也可采用S3c44Box的标准CAN控制卡模块，从而提高了系统的集成度和可靠性。从长远来看，随着计算机网络和电机驱动器技术的进一步发展，数控设备运动控制系统结构将会有更大的改进，其可靠性、开放性和集成度将大大提高。

　　(2)在硬件发生改变的情况下，仅仅改动与它相连的总线配置即可，增加或减少数控设备的自由度也非常方便，从而大大减少了系统硬件改动所需的时间。现场总线可连接的设备类型和设备数目也相对较多。

　　(3)在伺服驱动器进行位置环控制的同时，上层计算机还可以通过总线获得驱动轴角度反馈信息。上位机既能对下层驱动轴角伺服回路进行开环协调控制，又能进行位置补偿，实现闭环控制。