王 喆，郭 婧，史宇輝，焦 旸

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

某武器系統(tǒng)具有一系列機(jī)械動(dòng)作,采用全電氣控制，由多套伺服控制系統(tǒng)完成，是一套具有多自由度、多機(jī)構(gòu)、多伺服系統(tǒng)的復(fù)雜控制系統(tǒng)。信息處理量大，控制算法復(fù)雜。系統(tǒng)通信總線(xiàn)數(shù)量3條，網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到24個(gè)。對(duì)這套控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最大的技術(shù)難點(diǎn)在于解決由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)眾多帶來(lái)的一系列技術(shù)問(wèn)題：如何解決多總線(xiàn)、多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的控制和監(jiān)控問(wèn)題；如何保證多伺服系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)下的控制精度和狀態(tài)監(jiān)控；如何保證復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制和通信可靠性。

為解決以上技術(shù)難點(diǎn)并滿(mǎn)足系統(tǒng)控制要求，本系統(tǒng)將CANopen總線(xiàn)協(xié)議引入武器系統(tǒng)，并將充分利用CANopen的優(yōu)勢(shì)與控制系統(tǒng)軟件相結(jié)合解決多節(jié)點(diǎn)伺服控制系統(tǒng)中諸多技術(shù)難題。CAN總線(xiàn)作為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)典型代表是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的總線(xiàn)之一。而CANopen是其典型的應(yīng)用層協(xié)議，協(xié)議內(nèi)容完全開(kāi)放，并有效地支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制，利用其運(yùn)動(dòng)控制子協(xié)議，可對(duì)變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[1]。目前，CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信接口在很多國(guó)外生產(chǎn)商的伺服產(chǎn)品中都有應(yīng)用：以色列Elmo數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器、德國(guó)Lenze公司的伺服驅(qū)動(dòng)器、德國(guó)路斯特公司的ServoC伺服驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品都具備CANopen通信功能[2-4]；而在國(guó)內(nèi)， CANopen技術(shù)尚未普遍應(yīng)用。筆者在設(shè)計(jì)中通過(guò)采用CANopen的異步通信方式降低總線(xiàn)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的可靠控制；利用CANopen的在線(xiàn)故障檢測(cè)和總線(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)機(jī)制解決多節(jié)點(diǎn)總線(xiàn)的狀態(tài)管理；并采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多級(jí)智能子節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化控制[5]。

1 系統(tǒng)控制方案

在本套控制系統(tǒng)中，采用了分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其核心思想是集中管理、分散控制。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享網(wǎng)絡(luò)資源，各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立完成自身的功能，且允許同時(shí)進(jìn)行控制和處理；二是減少了布線(xiàn)的難度和不必要的連線(xiàn)，故障診斷比較容易。

本系統(tǒng)主要控制對(duì)象是多套伺服機(jī)構(gòu)的定位控制和監(jiān)控。采用了單控制器-多驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)器主要負(fù)責(zé)伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能，主控制器集中負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)電機(jī)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)，利用單控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)多驅(qū)動(dòng)器控制，組成了典型的分布式交流伺服控制系統(tǒng)。充分利用了分布式系統(tǒng)的針對(duì)性強(qiáng)、信息傳遞效率高、系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)；并極大地降低了主控制器的運(yùn)算量和總線(xiàn)的通信負(fù)載。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上共分兩個(gè)層次：上層為主控制器，下層為所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)及其控制器。從現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的概念上來(lái)說(shuō)，由主控制器作為系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)，各伺服子系統(tǒng)屬于智能節(jié)點(diǎn)，形成了分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 利用CANopen協(xié)議建立通信系統(tǒng)

主控制器通過(guò)3條CAN總線(xiàn)分別與監(jiān)控臺(tái)、便攜式顯控裝置以及系統(tǒng)內(nèi)部23個(gè)伺服系統(tǒng)控制器通信?？偩€(xiàn)接口配置如表1所示。

表1 CAN總線(xiàn)接口分配表

其中總線(xiàn)2和總線(xiàn)4由于采用了1對(duì)1通信，所以總線(xiàn)采用CAN 2.0B協(xié)議完全滿(mǎn)足要求。但對(duì)于總線(xiàn)3，由于負(fù)責(zé)所有伺服控制器節(jié)點(diǎn)的通信控制，總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到24個(gè)，需要對(duì)總線(xiàn)通信方式和配置進(jìn)行重新規(guī)劃。在CAN 2.0B通信方式下若將總線(xiàn)波特率設(shè)定為500 Kbit/s，CAN總線(xiàn)3上各個(gè)驅(qū)動(dòng)器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)間通過(guò)單電機(jī)測(cè)試已經(jīng)確定，可通過(guò)計(jì)算得出總線(xiàn)負(fù)載。表2為單電機(jī)通信格式和指定波特率下的通信時(shí)間。

表2 節(jié)點(diǎn)通信協(xié)調(diào)表

按照表2計(jì)算值，每節(jié)點(diǎn)占用總線(xiàn)時(shí)間0.896 ms，預(yù)留通信間隔后每個(gè)節(jié)點(diǎn)共占用總線(xiàn)時(shí)間約為1 ms，23個(gè)子節(jié)點(diǎn)共占用23 ms.通信周期30 ms，總線(xiàn)負(fù)載為76.66%，總線(xiàn)負(fù)載過(guò)大，存在通信安全隱患。通過(guò)分析可知，此時(shí)如果采用CAN總線(xiàn)多節(jié)點(diǎn)周期同步發(fā)送方式將造成總線(xiàn)負(fù)載過(guò)大，影響系統(tǒng)可靠性。因此，在多伺服機(jī)構(gòu)通信控制中，采用了整套CANopen的通信機(jī)制。系統(tǒng)中以主控制器作為CANopen主機(jī)和總線(xiàn)管理器，管理整個(gè)CAN-open網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)于CAN 2.0B通信協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在三方面：

1)控制器通過(guò)EDS(電子數(shù)據(jù)表格)文件配置后可對(duì)所有CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電自動(dòng)配置，替代了CAN 2.0B協(xié)議下控制器對(duì)CANopen設(shè)備通過(guò)SDO的方式實(shí)現(xiàn)配置從站的通信機(jī)制，大大減小了程序員設(shè)計(jì)部分的程序代碼量[6]。各節(jié)點(diǎn)在初始化階段需要采用特定的初始化指令對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化及功能配置。通過(guò)對(duì)電機(jī)功能進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，得出初始化階段配置報(bào)文。每個(gè)節(jié)點(diǎn)共20個(gè)數(shù)據(jù)幀的往復(fù)握手配置，且均為電機(jī)運(yùn)行基本功能，無(wú)法省略。CANopen免除了開(kāi)發(fā)者去處理CAN協(xié)議的詳細(xì)內(nèi)容，如位定時(shí)和實(shí)現(xiàn)功能的細(xì)節(jié)，并為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象，PDO)和配置數(shù)據(jù)(服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象，SDO)提供了標(biāo)準(zhǔn)化的通信對(duì)象，具有很靈活的配置能力[7-8]。

2)采用CANopen的異步事件觸發(fā)收發(fā)方式，可極大地減小單節(jié)點(diǎn)總線(xiàn)通信量，降低總線(xiàn)負(fù)載。根據(jù)控制需要對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制指令進(jìn)行總結(jié)[9]，單電機(jī)節(jié)點(diǎn)收發(fā)報(bào)文分析如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)收發(fā)報(bào)文分析

通過(guò)分析可知，在每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)需要周期收發(fā)的信息中只有心跳報(bào)文為周期發(fā)送，周期為300 ms，發(fā)送周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通信周期(30 ms)。其他信息則只在特定時(shí)間使用，若采用周期同步發(fā)送方式，則大部分總線(xiàn)數(shù)據(jù)為無(wú)用信息周期發(fā)送。通過(guò)分析單電機(jī)總線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序，如圖2所示，可以很明顯看出CANopen下異步事件觸發(fā)收發(fā)方式的優(yōu)勢(shì)。

單電機(jī)的通信數(shù)據(jù)并不是在每個(gè)通信周期內(nèi)都發(fā)送，收發(fā)最密集的時(shí)間是在電機(jī)停止的時(shí)刻。此時(shí)，心跳報(bào)文、電機(jī)動(dòng)作控制、電機(jī)狀態(tài)字和電機(jī)位置反饋4個(gè)數(shù)據(jù)幀將連續(xù)發(fā)送。所以通過(guò)采用CANopen的異步事件觸發(fā)收發(fā)方式，可將單電機(jī)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)通信周期內(nèi)通信量控制在4個(gè)數(shù)據(jù)幀以?xún)?nèi)。

3)將CANopen的在線(xiàn)故障檢測(cè)和總線(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)機(jī)制利用到多節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)中，很好地解決了多節(jié)點(diǎn)總線(xiàn)管理策略，優(yōu)化程序，并確保系統(tǒng)可靠。

CANopen具有良好的網(wǎng)絡(luò)管理功能，在 CAN-open 網(wǎng)絡(luò)中，采用了中心授權(quán)機(jī)制，通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理主節(jié)點(diǎn)(NMT-Master)，在本系統(tǒng)中就是主控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理[10]。具體來(lái)說(shuō)系統(tǒng)中主控制器主要共利用了CANopen下的3個(gè)方面措施來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備和總線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)：

1)錯(cuò)誤控制。為了使CANopen 主節(jié)點(diǎn)能夠評(píng)估相關(guān)的從節(jié)點(diǎn)是否工作在正常的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中，CANopen 通信引入了錯(cuò)誤控制機(jī)制。CANopen 協(xié)議有兩種錯(cuò)誤控制協(xié)議，分別是：心跳和節(jié)點(diǎn)保護(hù)。本系統(tǒng)使用了心跳協(xié)議，心跳是由CANopen設(shè)備周期性發(fā)送的，心跳生產(chǎn)者是每臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器從節(jié)點(diǎn)，心跳消費(fèi)者是CANopen主節(jié)點(diǎn)控制器。伺服驅(qū)動(dòng)器在某個(gè)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)必須向主控制器發(fā)送心跳報(bào)文，主控制器根據(jù)接收到的心跳報(bào)文來(lái)評(píng)估相關(guān)節(jié)點(diǎn)是否正常工作或者是否還在線(xiàn)。

2)狀態(tài)機(jī)制。CANopen的狀態(tài)機(jī)制包含了初始化、預(yù)操作、操作和停止4個(gè)狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)上電后，依次完成初始化階段，并自動(dòng)進(jìn)入操作階段，此時(shí)主控制器可以對(duì)該驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行動(dòng)作控制。當(dāng)發(fā)生異常或故障下，驅(qū)動(dòng)器節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。由主節(jié)點(diǎn)對(duì)各子節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)操作。

3)緊急事件。在CANopen下，電機(jī)節(jié)點(diǎn)的故障信息是作為緊急事件報(bào)文上報(bào)主控制器的。當(dāng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部發(fā)生重大故障后，緊急事件報(bào)文以最高的優(yōu)先級(jí)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，并由主控制器接收并分析處理，再上報(bào)上位機(jī)監(jiān)控臺(tái)進(jìn)行顯示。

3 多節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

對(duì)于單臺(tái)伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，解決高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的定位精度，需要從PID參數(shù)調(diào)節(jié)和反饋信號(hào)的處理等手段下手，并結(jié)合對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整出適應(yīng)本系統(tǒng)的伺服參數(shù)。而在多自由度伺服系統(tǒng)中，除考慮上述問(wèn)題外還需要解決全系統(tǒng)多套伺服機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)動(dòng)并精確定位下的控制整合與狀態(tài)監(jiān)控。

3.1 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

在控制系統(tǒng)中，由于采用了分布式控制方式，將伺服控制下放到每臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)獨(dú)立完成，這就需要在軟件程序中建立一套完備的時(shí)序控制、分時(shí)狀態(tài)接收、伺服系統(tǒng)模塊化設(shè)置等工作流程。主程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

在主程序下共分6個(gè)主要功能模塊：系統(tǒng)初始化模塊、CAN通信模塊、模式選擇模塊、伺服子節(jié)點(diǎn)控制模塊、應(yīng)急處理模塊和故障檢查模塊。系統(tǒng)功能模塊劃分如圖4所示。

3.3 單節(jié)點(diǎn)伺服系統(tǒng)的控制

由于需要滿(mǎn)足速度要求和多工位之間機(jī)械結(jié)構(gòu)的匹配，并決定著系統(tǒng)內(nèi)部各機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性等重要性能，對(duì)單臺(tái)伺服系統(tǒng)的定位控制提出了較高的要求。綜合分析各種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用典型三環(huán)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，使每個(gè)控制環(huán)都有穩(wěn)定的控制結(jié)構(gòu)，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到保證。程序控制上，單電機(jī)程序接口設(shè)置為分時(shí)控制，在全系統(tǒng)控制時(shí)序下，僅在指定工作周期內(nèi)通過(guò)TPDO作節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制及通過(guò)RPDO作狀態(tài)檢查，單電機(jī)控制流程如圖5所示。

3.3.1 初始化和使能設(shè)置

系統(tǒng)初始化模塊的主要作用包括對(duì)主控制器進(jìn)行上電硬件檢查，系統(tǒng)內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)的上電初始化配置，以及節(jié)點(diǎn)使能控制，可以完成單伺服節(jié)點(diǎn)初始化、系統(tǒng)集體初始化和系統(tǒng)使能控制。節(jié)點(diǎn)初始化過(guò)程中需要一系列安全檢查，包括系統(tǒng)故障檢查、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢查、節(jié)點(diǎn)供電狀態(tài)檢查和機(jī)構(gòu)位置檢查等，狀態(tài)正常后可添加節(jié)點(diǎn)硬件和軟件使能。流程圖如圖6所示。

3.3.2 子節(jié)點(diǎn)控制

在節(jié)點(diǎn)完成初始化以后，根據(jù)系統(tǒng)工作時(shí)序設(shè)置對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)命令接口和狀態(tài)檢查接口，單節(jié)點(diǎn)僅在控制時(shí)序指定時(shí)間內(nèi)作運(yùn)動(dòng)控制并更新節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，避免程序大面積無(wú)用掃描，而且降低程序掃描周期，節(jié)約總線(xiàn)通信負(fù)載，提高系統(tǒng)可靠性。子節(jié)點(diǎn)控制流程如圖7所示。

3.4 總線(xiàn)負(fù)載分析

通過(guò)對(duì)單電機(jī)節(jié)點(diǎn)利用CANopen的異步事件觸發(fā)方式控制下通信量進(jìn)行分析，可將單電機(jī)節(jié)點(diǎn)一個(gè)通信周期內(nèi)通信量控制在4個(gè)數(shù)據(jù)幀以?xún)?nèi)。

結(jié)合全系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)序圖對(duì)整套機(jī)構(gòu)時(shí)序進(jìn)行分析，機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)序圖如圖8所示。

由圖8可知，電機(jī)動(dòng)作最密集的時(shí)刻在3.8 s，此時(shí)共有7臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作。每臺(tái)電機(jī)最高峰有4個(gè)數(shù)據(jù)幀等待發(fā)送,共計(jì)28個(gè)數(shù)據(jù)幀連續(xù)發(fā)送，再加上其余16個(gè)電機(jī)的心跳報(bào)文，在1個(gè)通信周期內(nèi)，共計(jì)44個(gè)數(shù)據(jù)幀需要發(fā)送。系統(tǒng)總線(xiàn)負(fù)載將下降為29.30%，在總線(xiàn)穩(wěn)定性上得到了極大提高。

結(jié)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，充分驗(yàn)證了基于CAN總線(xiàn)下的CANopen協(xié)議在多節(jié)點(diǎn)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性；并體現(xiàn)了CANopen良好的開(kāi)放性和擴(kuò)展性，以及在總線(xiàn)管理、節(jié)點(diǎn)配置和總線(xiàn)負(fù)載控制等方面的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者從控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)入手展開(kāi)，結(jié)合CANopen總線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)建立了一套完整的多節(jié)點(diǎn)通信與控制系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的主要難題和解決辦法進(jìn)行展開(kāi)分析，并通過(guò)工程設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)踐對(duì)設(shè)計(jì)方案的難點(diǎn)分析進(jìn)行了充分驗(yàn)證，這套控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足多機(jī)構(gòu)、高速度、高精度的控制要求。