基于CAN總線的伺服系統參數在線裝訂方法

劉海山，王 恒，丁懷龍，焦 震，樊 茜

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

基于CAN總線的伺服系統參數在線裝訂方法

劉海山，王 恒，丁懷龍，焦 震，樊 茜

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

摘 要：以永磁同步電動機作為主要執行元件的機電伺服系統在調試過程中往往需要頻繁修改控制參數以實現系統的最優控制，如果通過修改源代碼的方式修改參數，會導致軟件版本多，不易進行版本控制，效率低，影響研制進度，特別是在一些特殊的場合不允許對伺服控制驅動器進行開蓋(打開外殼)操作，不能更新軟件，也就無法實現控制參數的調整。提出一種基于CAN總線的伺服系統參數在線裝訂方法，利用上位機與數字信號處理器之間的CAN總線通信，實現對數字信號處理器片上Flash和RAM資源的尋址和讀寫控制，從而完成對伺服系統控制參數的在線裝訂及回讀校驗。通過實際工程應用證明，該方法方便高效、可靠性高，為機電伺服系統在型號中的快速應用提供很好的解決方案。

關鍵詞：CAN總線；永磁同步電動機；伺服系統；在線裝訂

0 引 言

隨著電力半導體器件和以電力半導體器件為基本功率元件的電力電子技術的迅速發展，以永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)作為主要執行元件的機電伺服系統正逐步取代傳統的液壓伺服系統。機電伺服系統以其體積小、質量輕、結構簡單、動態特性好等特點逐步應用到運載及武器裝備中。目前，機電伺服系統普遍采用三閉環(位置環、速度環和電流環)控制結構，對于PMSM的控制則普遍采用基于磁場定向的矢量控制(FOC)方式[1]，對于某些特定的被控對象，為抑制諧振頻率點上的諧振峰產生，還需要在特定頻率點上加入陷波濾波器算法，因此影響系統性能的控制參數較多，且修改困難，尤其在系統前期調試過程中往往需要頻繁修改控制參數以實現系統的最優控制，后期交付過程中由于產品的個性差異(機械特性、電氣特性等)也需要通過調整參數來滿足出廠的指標要求，如果通過修改源代碼的方式修改參數，會導致軟件版本多，不易進行版本控制，效率低，影響研制進度，特別是在一些特殊的場合不允許對伺服控制驅動器進行開蓋(打開外殼)操作，不能更新軟件，也就無法實現控制參數的調整。

本文研究一種基于CAN總線的伺服系統參數在線裝訂方法，利用上位機與數字信號處理器之間的CAN總線通信，實現對數字信號處理器片上Flash和RAM資源的尋址和讀寫控制，從而完成對伺服系統控制參數的在線裝訂及回讀校驗。

1 系統硬件設計

參數在線裝訂系統由上位機、下位機、供電電源、伺服作動器(以PMSM作為驅動元件)及相應的配套軟件等組成。其中上位機由NI PXI-1042機箱、NI PXI-8840 Quad-Core計算機以及PXI接口的CAN總線板卡NI PXI-8512/2或USB接口的CAN盒ZLG USBCAN-2E-U等組成，配套CAN總線在線參數裝訂軟件實現基本信息配置、裝訂參數解析、CAN總線消息下載及參數檢驗等功能。下位機主要由內嵌TMS320F28335數字信號處理器[2]的伺服控制驅動器、供電及通信電纜、信號采集電纜等組成，配套包含在線參數裝訂組件的伺服控制驅動軟件實現CAN總線消息的接收和發送、控制參數解析、信號采集和伺服系統閉環控制等功能。上、下位機之間采用CAN總線通信，實現控制參數的在線裝訂及回讀校驗。系統結構圖如圖1所示。

圖1 參數在線裝訂系統結構圖

2 系統軟件設計

2.1 CAN總線在線參數裝訂軟件設計

CAN總線在線參數裝訂軟件為上位機軟件，該軟件基于Windows7操作系統，采用C# 語言[3]開發，具有界面簡潔、自動化程度高、操作簡單等特點，如圖2所示。

圖2 CAN總線在線參數裝訂軟件界面

CAN總線在線參數裝訂軟件主要由界面顯示、CAN總線板卡操作、數據轉換、基本信息配置、下載參數配置、數據發送和接收、參數校驗、CAN總線消息記錄、裝訂記錄保存等模塊組成。界面顯示模塊主要實現裝訂參數表、菜單按鈕、裝訂狀態顯示等功能，包括讀取的控制驅動器內的參數信息、裝訂時間、參數數量、裝訂進度等。CAN總線板卡操作模塊主要通過調用動態鏈接庫中的API接口函數[4]實現板卡啟動、初始化、數據收發、板卡關閉及資源釋放。數據轉換模塊主要將預置在Access數據庫[5]中的裝訂參數信息按照板卡規定的幀結構轉換成CAN總線消息鏈表或將從總線上接收的CAN總線消息處理成相應的參數信息?；拘畔⑴渲媚K主要讀取配置文件(.txt文件)中的配置信息，包括系統軟件名稱、板卡類型、波特率、消息ID、裝訂記錄存儲位置等，便于用戶根據需要靈活使用。下載參數配置模塊主要讀取界面文本框控件中的配置信息，包括參數版本信息及操作者編號，便于參數裝訂的查詢和追溯。數據發送和接收模塊主要調用發送和接收API接口函數實現CAN總線消息的發送和定時接收。參數校驗模塊逐字節比對伺服控制驅動器內的參數與用戶選擇的參數(出廠值或設定值)的一致性，并給出是否一致的結果，如果不一致，需要顯示出不一致的具體參數并提示用戶。CAN總線消息記錄模塊主要記錄總線上的裝訂參數消息，包括幀序號、消息ID、數據字節等信息，方便用戶及開發者查詢和排故。裝訂記錄保存模塊主要將實際裝訂的參數、裝訂時間、操作者等信息記錄在結果文件(.txt文件)中，方便用戶查詢。

2.2 在線參數裝訂組件設計

在線參數裝訂組件作為上位機與下位機的接口程序，以LIB庫文件的形式嵌入在伺服控制驅動軟件中，獨立執行DSP片內FLASH參數裝訂區(Flash H扇區)各種讀寫操作。組件使用DSP片內eCAN-A模塊按照協議規定的數據格式與上位機軟件進行CAN總線通信，數據接收消息郵箱地址為MBOX2，消息ID為0x7CC，數據應答消息郵箱地址為MBOX3，消息ID為0x7DD。上位機發送的指令及控制器正常應答信息如表1所示，表1中的“/”，如果為發送數據，自動填充0；如果為接收，表示不需判斷該數據。數據字1為命令字，作為判斷數據幀傳輸是否正確及裝訂流程控制的依據。

在線參數裝訂組件主要由初始化、CAN總線消息處理、寫FLASH、讀FLASH、參數校驗等函數組成。初始化函數通過函數參數的方式配置接收和發送郵箱ID、數據長度DLC、消息方向等并使能郵箱。CAN總線消息處理函數為總線寫入參數的入口函數，判斷接收到消息的第一個數據字是否為正確的命令字，如果是則按照總線協議進行各種操作流程。寫FLASH函數首先調用 API函數Flash_Erase() 函數將 Flash H區中數據全部置為0xFFFF，再利用函數Flash_Program ()將緩存區的裝訂參數寫入 Flash H區，最后利用函數Flash_Verify()對寫入 Flash H區參數進行驗證[6]。讀FLASH函數通過函數參數的方式接收參數結構體的首地址和長度(字個數)，讀取Flash參數區中的數據，并將指定長度的參數賦給參數結構體，供PMSM控制使用。參數校驗函數分別讀取雙冗余地址區中的參數并進行逐字比對，如果兩個區域中參數完全一致，則將參數返回到CAN總線上，供上位機軟件校驗使用，否則返回參數異常應答消息。在線參數裝訂組件軟件流程圖如圖3所示。

表1 在線參數裝訂協議

圖3 在線參數裝訂組件軟件流程圖

3 試驗結果

本文中的機電伺服系統采用“一拖二”控制方式，即一臺伺服控制驅動器控制2臺PMSM，涉及的控制參數共計96個，如果通過修改源代碼的方式修改控制參數，進行一次參數調整的時間大約需要10 min。采用本文的方法，發送握手信息并下載大約需要10 ms，發送參數數據大約需要2 s，將參數寫入FLASH大約需要8 s，上位機回讀參數并完成校驗大約需要2 s，完成一次參數調整的時間共計大約12 s，調整效率顯著提高，且無需開蓋通過JTEG口訪問DSP片內資源，避免了對產品產生電氣損傷的風險。

4 結 語

本文利用CAN總線通信實現了伺服系統控制參數的快速在線調整，通過上位機在線參數裝訂軟件與下位機參數裝訂組件的協同工作，在不對伺服控制驅動器開蓋操作的情況下，完成對伺服系統控制參數的在線裝訂及回讀校驗。試驗結果表明：該方法方便高效、可靠性高，為機電伺服系統在型號中的快速應用提供很好的解決方案。

[1] 蘇奎峰,蔡昭權.TMS320X281X DSP應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[2] 張卿杰,徐友,左楠,等.手把手教你學DSP-基于TMS320F28335[M].北京：北京航空航天大學出版社,2015.

[3] 明日科技.C#從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2014.

[4] National Instruments Inc.NI-XNET Hardware and Software Manual[Z].USA:National Instruments,2016：3.

[5] 基于FPGA設計的功能仿真和時序仿真[M].北京:清華大學出版社,2016.

[6] Texas Instruments Inc.TMS320F28335,28334,28332 Flash APIs Version 2.10[Z].USA:Texas Instruments,2008：8.

ParametersOnlineBindingMethodofServoSystemBasedonCANBus

LIUHai-shan,WANGHeng,DINGHuai-long,JIAOZhen,FANQian

(Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls,Beijing 100076，China)

Abstract:Electro-mechanical servo system with permanent magnet synchronous motor as the main actuator has to modify the control parameters frequently in order to realize the optimal control of the system. If the parameters are modified by modifying the source code, it will lead to many versions of the software, version control low efficiency, affecting the progress of development, especially in some special occasions preventing servo-controlled driver open cover (open the shell) operation, it will not be able to update the software or adjust the control parameters. A parameters online binding method of servo system based on CAN bus was presented. By using the CAN bus communication between the host computer and the digital signal processor, addressing and reading of the Flash and RAM resources of the digital signal processor write control were realized to complete the control parameters of servo system online binding and read back calibration. The practical engineering application proves that the method is convenient, efficient and reliable, and provides a good solution for quick application of electromechanical servo system.

Key words：CAN bus; permanent magnet synchronous motor (PMSM); servo system; online binding

中圖分類號：TM341；TM351

A

1004-7018(2018)05-0070-03

2018-02-26

作者簡介：劉海山(1982—)，男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為電力電子與電力傳動及嵌入式軟硬件開發。