基于CAN 總轉(zhuǎn)的多軸轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計

李唐 洪晴

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學工程技術(shù)實訓中心，江蘇南京 210023）

1 概述

在自動化設(shè)備中經(jīng)常會遇到多軸轉(zhuǎn)動的問題，比如多軸機床。在復雜的環(huán)境下要實現(xiàn)多軸精確定位，需要考慮復雜電路對系統(tǒng)的干擾問題，同時，系統(tǒng)要盡量簡單，避免多環(huán)節(jié)造成的可靠性降低問題。CAN （Controller Area Network）總線由于其高性能、高可靠性及獨特的設(shè)計,具有較強的抗干擾能力,適合用于實時性要求很高的系統(tǒng)[1]。為了實現(xiàn)系統(tǒng)簡單，考慮采用總線控制方式，因為CAN 總線抗干擾性比較強，所以設(shè)計了基于CAN 總線的多軸轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)。目前多采用單片機、plc 作為主控制器，采用串口總線控制方式，人機交互采用上位機或顯示屏實現(xiàn)，這樣系統(tǒng)元件增加，成本較高。

針對上述問題，本文設(shè)計了四軸轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動范圍-180°～+180°，轉(zhuǎn)動速度1-10°/s 可調(diào)。采用基于CAN 總線的控制方式，同時選用觸摸屏作為控制，實現(xiàn)控制器與人機界面一體，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，精度高，可靠性高。

2 系統(tǒng)組成

CAN 總線可根據(jù)總線驅(qū)動能力支持100 個以上節(jié)點，具有接口簡單，傳輸速率高、實時性好、抗干擾能力強等特點，非常適合伺服系統(tǒng)多節(jié)點、高實時性的要求[2]。威綸eMT 系列觸摸屏可以作為主站，從而實現(xiàn)對節(jié)點驅(qū)動器的控制。同時觸摸屏可以實現(xiàn)人機交互。電機為伺服電機，本文以施耐德BSH 伺服電機，驅(qū)動器型號為匹配的LXM32A 系列伺服驅(qū)動器為例。觸摸屏與節(jié)點之間采用CAN 總線進行通信，接口協(xié)議為CANopen，采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)設(shè)計。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

觸摸屏作為主站，通過CAN 總線與4 臺電機驅(qū)動器連接，通過電機驅(qū)動器設(shè)置4 臺電機分別設(shè)置為節(jié)點1 至節(jié)點4，比特率均為1Mbp，觸摸屏與上位機留有RS485 串口，可實現(xiàn)上位機對系統(tǒng)的監(jiān)控。

觸摸屏中添加4 個CAN 從機，在EasyBuilder Pro 軟件的系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)添加。如圖2 所示，共添加了4 個CAN 節(jié)點從機，節(jié)點號分別為1-4.波特率為1Mbp，添加了一個RS232 串口，用于與上位機的通訊，該串口波特率設(shè)置為115200kbps。至此觸摸屏添加硬件設(shè)置已完成，下面需要軟件設(shè)計。

圖2 添加CAN 節(jié)點從機

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件框圖

軟件開發(fā)工具為EasyBuilder Pro，是一款非常好用的威綸通觸摸屏編程軟件，軟件提供了人性化的人機交互界面，可以滿足不同編程人員的需要，適用于威綸通eMT、cMT、iE、MT（iP）以及TK（iP）機型，可以有效地提升編程人員的效率。為了實現(xiàn)各電機的精確定位，軟件設(shè)計通過CAN 總線操作伺服電機驅(qū)動器位置環(huán)。首先上電初始化CAN，然后判斷是否按下相應(yīng)軸的啟動按鈕，如啟動則關(guān)使能，選擇工作模式為位置模式，以及位置模式下的速度值。最后判斷輸入角度是否合法，是否在-180°～+180°范圍內(nèi)，如合法則使能電機，電機運動到目標角度?？刂瞥绦蛟砜驁D如圖3 所示。

圖3 控制程序原理框圖

3.2 宏指令設(shè)計

觸摸屏是通過運行宏指令來給電機發(fā)送指令和數(shù)據(jù)的，宏指令，是威綸通觸摸屏提供的一個附加功能。簡而言之，它是一個腳本編輯界面，用戶可以在上面編寫一些指令，從而對組態(tài)的控件執(zhí)行一些復雜的邏輯運算等處理。宏指令語法類似于簡化的C 語言。

本文主要用到了如下宏指令，分別用于實現(xiàn)不同的功能。如“回告”指令用于上報給上位機系統(tǒng)的角度數(shù)據(jù)。“串口接收角度”用于對接收到的上位機指令進行解析。“停止”和“找零”指令分別用于停止工作和各軸回歸原點。四個軸的定位工作分別通過相應(yīng)的宏指令實現(xiàn)。最后的“差值顯示”指令用于顯示定位目標角度與當前角度的差值（圖4）。

圖4 主要宏指令

3.3 軸1 定位示例

定位模式屬于點到點運行模式，這種模式僅可通過現(xiàn)場總線的方式來執(zhí)行運行模式，在設(shè)定目標位置時有相對位置和絕對位置兩種方式。兩種方式均可以使用加速斜坡和減速斜坡以及最終速度參考值來設(shè)置運動曲線[3]。在執(zhí)行相對運動時，運動以上次目標位置或者當前電機位置為參考；執(zhí)行絕對運動時，因為執(zhí)行的絕對運動是完全以零點為參考的，所有在首次執(zhí)行絕對定位之前，必須通過Homing 模式來定義零點[4]。我們采用的是絕對運動，所以需要定義零點，我們先將各種調(diào)整至機械零點，然后通過can 總線讀取各軸電機編碼器的數(shù)據(jù)，將機械零點時的數(shù)據(jù)標定為零點。后面產(chǎn)生的運動都是以此零點為基礎(chǔ)。

在軸1 定位宏指令中，我們分別通過函數(shù)SetDataEx 關(guān)使能，設(shè)置位置模式，設(shè)置速度。然后在循環(huán)中，不斷通過GetData函數(shù)讀取觸摸屏數(shù)值元件RW25 輸入的軸1 的目標角度，并進行角度轉(zhuǎn)換，最后通過函數(shù)SetDataEx 使能驅(qū)動器，電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。具體程序如圖5 所示。其他功能宏指令與此示例類似，均通過相應(yīng)函數(shù)實現(xiàn)，這里不再贅述。

圖5 主要程序

4 界面設(shè)計

利用EasyBuilder Pro 軟件設(shè)計了人機界面，每個軸包含啟動停止按鈕，下發(fā)目標角度的數(shù)值元件，顯示實際角度的數(shù)值元件和誤差角度數(shù)值元件。當觸摸屏右上方伺服狀態(tài)為“開”時，用戶可對系統(tǒng)進行操作。伺服狀態(tài)為“關(guān)”時，系統(tǒng)禁止使用。（圖6）

圖6 界面設(shè)計

實驗階段，所有軸先恢復到機械零點，通過施耐德伺服電機調(diào)試軟件SoMove 軟件監(jiān)控電機運行狀態(tài)，通過觸摸屏設(shè)置目標角度10°，運動速度2°/s，然后按下“軸1 啟動按鈕”后，軸1從當前位置開始運動，直至運動到目標位置，運動曲線如圖7 所示，最上方曲線為位置曲線，中間為速度曲線，最下方為電流曲線。可見，電機運行平穩(wěn)。

對其他軸進行相同操作均可獲得準確定位。多個軸可以同時操作。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了多軸轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，以四軸為例做了具體說明，控制方式為CAN 總線控制，選用威綸通觸摸屏作為主站，各軸伺服電機驅(qū)動器為從站。軟件開發(fā)使用宏指令實現(xiàn)。最后模擬驗證，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動范圍-180°～+180°，轉(zhuǎn)動速度1-10°/s 可調(diào)的技術(shù)要求，控制精度0.1°。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。