基于CAN總線分布式伺服系統(tǒng)研究

宋 輝

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

隨著大功率驅(qū)動(dòng)和多軸伺服技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)械部件完成的功能可以由伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，越來越多的機(jī)構(gòu)動(dòng)作被伺服控制所取代，多軸之間無需通過硬性的機(jī)械嚙合聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)快速、高精度的多軸伺服及同步控制。在艦炮裝備上，除瞄準(zhǔn)、穩(wěn)定以及引信測合等隨動(dòng)系統(tǒng)以外，擺輸彈機(jī)構(gòu)、補(bǔ)供彈機(jī)構(gòu)等也可廣泛采用伺服控制，實(shí)現(xiàn)艦炮、彈庫的全電驅(qū)動(dòng)和多軸化伺服控制，大大簡化了艦炮系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。

工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，站點(diǎn)間總線刷新率大幅提高，伺服軸傳輸信息得到及時(shí)更新，為分布式驅(qū)動(dòng)控制提供了保障。CAN總線是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，主要用于各種設(shè)備監(jiān)測及控制。它是一種有效支持分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有多主通信的靈活通信方式，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)[1]。

艦炮控制系統(tǒng)采用CAN總線連接各伺服機(jī)構(gòu)和IO設(shè)備，可以滿足艦炮系統(tǒng)多軸化和實(shí)時(shí)性伺服控制需要，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的靈活分布式部署，大大減少了伺服控制和伺服驅(qū)動(dòng)器之間的大量接線。艦炮采用現(xiàn)場總線連接，方便系統(tǒng)硬件擴(kuò)展，當(dāng)伺服系統(tǒng)軸數(shù)增加時(shí)，對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)沒有影響，便于控制系統(tǒng)的擴(kuò)充和裁減。

本文針對艦炮伺服控制需要和分布式控制節(jié)點(diǎn)規(guī)模數(shù)量，給出單級(jí)、兩級(jí)CAN總線分布式伺服控制系統(tǒng)方案，以及設(shè)計(jì)出雙CAN總線接口伺服控制模塊，分析了CAN總線數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理和實(shí)時(shí)性要求，通過試驗(yàn)驗(yàn)證CAN總線分布式伺服控制滿足艦炮控制需要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

艦炮伺服控制系統(tǒng)包含方位、高低瞄準(zhǔn)伺服系統(tǒng)、擺輸彈伺服系統(tǒng)、以及補(bǔ)供彈伺服系統(tǒng)，由系列伺服控制模塊和伺服驅(qū)動(dòng)器完成伺服控制，并采用CAN總線互連實(shí)現(xiàn)分布式控制。根據(jù)分布式控制需要和CAN總線互連節(jié)點(diǎn)數(shù)量，伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有單級(jí)、兩級(jí)CAN總線互連2種結(jié)構(gòu)方案。

如圖1所示，該方案可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)艦炮方位、高低瞄準(zhǔn)系統(tǒng)分布式伺服控制。系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)，包括顯示控制模塊、伺服控制模塊和伺服驅(qū)動(dòng)器，均采用單級(jí)CAN總線互連[2 - 3]。節(jié)點(diǎn)0顯示控制模塊是上位機(jī)單元，作用是對各伺服控制模塊發(fā)送位置控制指令及位置狀態(tài)顯示，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2伺服控制模塊也采用該CAN總線給相應(yīng)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送啟動(dòng)和速度指令，并反饋驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)。單級(jí)CAN總線傳輸數(shù)據(jù)包含位置控制指令、位置狀態(tài)、速度控制指令和驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)等，信息類別多，數(shù)據(jù)傳輸量大，節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，CAN總線傳輸數(shù)據(jù)容易擁堵，適用于艦炮伺服控制系統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)量少場合。

圖1 單級(jí)CAN總線分布式伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Single CAN bus for distributed servo control system diagram

圖2 兩級(jí)CAN總線分布式伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Double CAN bus for distributed servo control system diagram

針對伺服控制節(jié)點(diǎn)多場合，除瞄準(zhǔn)伺服系統(tǒng)以外，還要實(shí)現(xiàn)擺輸彈、補(bǔ)供彈伺服控制功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用兩級(jí)CAN總線互連方案（見圖2）。節(jié)點(diǎn)0～n采用一級(jí)CAN總線互連，節(jié)點(diǎn)1～n伺服控制模塊為相同硬件的標(biāo)準(zhǔn)化模塊，伺服控制模塊與伺服驅(qū)動(dòng)器之間采用二級(jí)CAN總線分布互連。其中，節(jié)點(diǎn)1伺服控制模塊實(shí)現(xiàn)方位、高低瞄準(zhǔn)伺服控制系統(tǒng)位置環(huán)控制，并由CAN總線發(fā)送速度指令控制伺服驅(qū)動(dòng)器1和驅(qū)動(dòng)器2。節(jié)點(diǎn)2伺服控制模塊實(shí)現(xiàn)擺彈和輸彈伺服系統(tǒng)控制，節(jié)點(diǎn)3伺服控制模塊實(shí)現(xiàn)補(bǔ)供彈系統(tǒng)的供彈、揚(yáng)彈和推彈伺服控制，并由CAN總線發(fā)送速度指令控制相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器。該方案將伺服控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互分解到兩級(jí)CAN總線傳輸，每路CAN總線控制節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)量減少，提高了擴(kuò)展性，適用于艦炮伺服控制系統(tǒng)規(guī)模大、CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量多場合。

2 伺服控制硬件及接口

伺服系統(tǒng)由伺服控制模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器和顯示控制模塊硬件等組成，伺服控制模塊是圍繞艦炮伺服控制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化伺服控制模塊，伺服驅(qū)動(dòng)器和顯示控制模塊均為具備CAN總線接口通用化硬件單元。因此，主要介紹標(biāo)準(zhǔn)伺服控制模塊和CAN總線接口設(shè)計(jì)。

2.1 伺服控制模塊設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)單級(jí)、兩級(jí)CAN總線分布式控制方案均采用標(biāo)準(zhǔn)伺服控制模塊，伺服控制模塊硬件電路如圖3所示。伺服控制模塊具備兩路CAN總線接口，以DSP為主控制芯片，選用可編程邏輯器件CPLD作為模塊接口邏輯控制。DSP芯片內(nèi)部集成1路CAN總線控制器，并用獨(dú)立CAN控制器芯片SJA1000擴(kuò)展另外1路CAN接口。伺服控制模塊的SDC輸入通道、D/A通道以及16路并行數(shù)據(jù)通道均通過CPLD配置端口。其他輔助電路包含電源適配電路、時(shí)鐘振蕩電路和存儲(chǔ)電路[4]。

圖3 伺服控制模塊主要電路組成圖Fig.3 Servo control module main circuit diagram

2.2 CAN 總線接口設(shè)計(jì)

CAN總線接口設(shè)計(jì)包括集成CAN總線接口和獨(dú)立CAN控制器接口設(shè)計(jì)方法。

集成CAN接口由DSP集成增強(qiáng)型控制器區(qū)域網(wǎng)路（eCAN）模塊和驅(qū)動(dòng)器接口電路組成。CAN總線采用獨(dú)立電源及隔離器件與外部通信，提高了CAN通信可靠性和抗干擾性。CAN總線通信接口電路如圖4所示，總線收發(fā)器選用UC5350器件，采用磁場隔離器件對CAN通信信號(hào)CANH，CANL進(jìn)行隔離，相比傳統(tǒng)光電隔離器件，具備更高和更穩(wěn)定的傳輸速率。

獨(dú)立CAN控制器設(shè)計(jì)選用控制器SJA1000[5]，該芯片提供的微處理器接口方式為地址數(shù)據(jù)多路復(fù)用總線模式，而DSP芯片總線接口方式采用地址和數(shù)據(jù)分離的形式。SJA1000與DSP之間總線接口采用CPLD控制，SJA1000芯片地址數(shù)據(jù)線總線復(fù)用采用CPLD編程實(shí)現(xiàn)總線緩沖器件功能[6]。擴(kuò)展接口電路圖如圖5所示。

圖4 CAN 總線通信接口接口圖Fig.4 CAN Bus communication interface diagram

圖5 SJA1000 擴(kuò)展接口電路Fig.5 SJA1000 expansion interface circuit

3 CAN 總線傳輸協(xié)議

CAN總線分布式伺服控制結(jié)構(gòu)，既要求高的數(shù)據(jù)通信速率，而且要求數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，通過合理的通信協(xié)議設(shè)計(jì)降低伺服控制對網(wǎng)絡(luò)帶寬的依賴，提高實(shí)時(shí)性[7 - 8]。CAN 總線網(wǎng)絡(luò)采用“一主多從”總線型結(jié)構(gòu)，每個(gè)伺服控制節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)中從節(jié)點(diǎn)，顯示控制模塊作為網(wǎng)絡(luò)唯一主節(jié)點(diǎn)，除發(fā)送指令和狀態(tài)顯示外，同時(shí)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度和運(yùn)動(dòng)時(shí)序控制。相比多主節(jié)點(diǎn)CAN總線工作方式，該方式避免了通過報(bào)文標(biāo)識(shí)符競爭總線訪問優(yōu)先權(quán)，以及逐位仲裁造成的傳輸延遲。另外，顯示控制模塊向各伺服控制模塊發(fā)送周期為20 ms的時(shí)間同步基準(zhǔn)信號(hào)，通信節(jié)點(diǎn)分時(shí)占用總線，減少了CAN總線數(shù)據(jù)量過大造成的堵塞，保證了通信實(shí)時(shí)性，

CAN總線通信報(bào)文格式如圖6所示，標(biāo)識(shí)為29位標(biāo)識(shí)符，b28，b27最高位固定為1，b24～b26為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)，b20～b23位表示報(bào)文數(shù)量從0開始，b0～b19位每一位表示一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，b19位代表顯示控制模塊接收節(jié)點(diǎn)，b18、b17、b16分別代表方位、高低、擺彈伺服控制模塊接收節(jié)點(diǎn)，未用的均為0。顯示控制模塊發(fā)送給方位、高低、擺彈伺服控制模塊的數(shù)據(jù)報(bào)文標(biāo)識(shí)為1A03 1000H。

圖6 CAN 總線郵箱消息數(shù)據(jù)格式Fig.6 CAN bus mailbox message data format

以顯示控制模塊與CAN總線傳輸為例，傳輸數(shù)據(jù)格式如表1所示。艦炮方位、高低、擺彈運(yùn)動(dòng)角度及反饋數(shù)據(jù)長度16位，有效位15位，符號(hào)位為最高位，最低有效位180°/215，數(shù)據(jù)范圍-180°～+180°，方位、高低、擺彈前饋數(shù)據(jù)采用，16位2進(jìn)制無符號(hào)數(shù)，有效數(shù)字為：0x0000～0x7FFF，表示速度范圍為0～60°/s。輸入輸出信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，代表輸出控制指令和狀態(tài)反饋代碼。

4 試驗(yàn)情況

艦炮具備方位、高低、擺彈和輸彈等多個(gè)伺服控制節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)采用兩級(jí)CAN總線分布式互連。CAN總線傳輸速率設(shè)定512 kBit/s，方位、高低、擺彈以及輸彈等伺服機(jī)構(gòu)在速度為30°/s等速跟蹤運(yùn)動(dòng)的實(shí)測誤差曲線如圖7～圖10所示。

表1 顯示模塊與伺服控制模塊CAN總線傳輸數(shù)據(jù)格式Tab.1 Monitor and servo control module cAN data format

圖7 方位瞄準(zhǔn)等速跟蹤的誤差曲線Fig.7 Horizontal system constant velocity error curve

圖8 高低瞄準(zhǔn)等速運(yùn)動(dòng)誤差曲線Fig.8 Vertical system constant velocity error curve

圖9 擺彈機(jī)構(gòu)等速誤差曲線Fig.9 Swing gear constant velocity i error curve

圖10 輸彈機(jī)構(gòu)等速誤差曲線Fig.10 Projectile mechanism constant velocity error curve

伺服控制中斷數(shù)據(jù)處理周期設(shè)定Tc=10 ms，當(dāng)CAN總線傳輸速率大于125 kbit/s時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)文延遲Tr＜1.0 ms，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)中斷周期，伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和控制精度都能保證。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，伺服系統(tǒng)等速誤差均滿足系統(tǒng)給定指標(biāo)要求：等速誤差1.5 mrad（1.0 mrad≈0.057°）。

綜上所述，分布式控制系統(tǒng)，關(guān)鍵需要解決伺服控制實(shí)時(shí)性問題。CAN總線分布式網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)并行信號(hào)連接，采用數(shù)字化實(shí)時(shí)通信取代傳統(tǒng)模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制。本文設(shè)計(jì)出了基于CAN總線分布式伺服控制系統(tǒng)，當(dāng)CAN總線傳輸速率大于125 kbits/s時(shí)，CAN總線分布式伺服控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性和控制精度滿足使用要求。