基于CAN總線分布式伺服系統研究

宋 輝

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

隨著大功率驅動和多軸伺服技術發展，傳統機械部件完成的功能可以由伺服系統實現，越來越多的機構動作被伺服控制所取代，多軸之間無需通過硬性的機械嚙合聯接，可以實現快速、高精度的多軸伺服及同步控制。在艦炮裝備上，除瞄準、穩定以及引信測合等隨動系統以外，擺輸彈機構、補供彈機構等也可廣泛采用伺服控制，實現艦炮、彈庫的全電驅動和多軸化伺服控制，大大簡化了艦炮系統機械結構。

工業現場總線技術的發展，站點間總線刷新率大幅提高，伺服軸傳輸信息得到及時更新，為分布式驅動控制提供了保障。CAN總線是應用最廣泛的現場總線之一，主要用于各種設備監測及控制。它是一種有效支持分布式控制的串行通信網絡，具有多主通信的靈活通信方式，具有實時性強、傳輸距離遠、抗干擾性強、成本低的特點[1]。

艦炮控制系統采用CAN總線連接各伺服機構和IO設備，可以滿足艦炮系統多軸化和實時性伺服控制需要，實現了現場設備的靈活分布式部署，大大減少了伺服控制和伺服驅動器之間的大量接線。艦炮采用現場總線連接，方便系統硬件擴展，當伺服系統軸數增加時，對系統硬件結構沒有影響，便于控制系統的擴充和裁減。

本文針對艦炮伺服控制需要和分布式控制節點規模數量，給出單級、兩級CAN總線分布式伺服控制系統方案，以及設計出雙CAN總線接口伺服控制模塊，分析了CAN總線數據傳輸機理和實時性要求，通過試驗驗證CAN總線分布式伺服控制滿足艦炮控制需要。

1 系統結構方案

艦炮伺服控制系統包含方位、高低瞄準伺服系統、擺輸彈伺服系統、以及補供彈伺服系統，由系列伺服控制模塊和伺服驅動器完成伺服控制，并采用CAN總線互連實現分布式控制。根據分布式控制需要和CAN總線互連節點數量，伺服系統結構有單級、兩級CAN總線互連2種結構方案。

如圖1所示，該方案可以實現傳統艦炮方位、高低瞄準系統分布式伺服控制。系統所有節點，包括顯示控制模塊、伺服控制模塊和伺服驅動器，均采用單級CAN總線互連[2 - 3]。節點0顯示控制模塊是上位機單元，作用是對各伺服控制模塊發送位置控制指令及位置狀態顯示，節點1和節點2伺服控制模塊也采用該CAN總線給相應伺服驅動器發送啟動和速度指令，并反饋驅動器運行狀態。單級CAN總線傳輸數據包含位置控制指令、位置狀態、速度控制指令和驅動器狀態等，信息類別多，數據傳輸量大，節點數量增加，CAN總線傳輸數據容易擁堵，適用于艦炮伺服控制系統CAN節點數量少場合。

圖1 單級CAN總線分布式伺服控制系統結構圖Fig.1 Single CAN bus for distributed servo control system diagram

圖2 兩級CAN總線分布式伺服控制系統結構圖Fig.2 Double CAN bus for distributed servo control system diagram

針對伺服控制節點多場合，除瞄準伺服系統以外，還要實現擺輸彈、補供彈伺服控制功能，系統結構采用兩級CAN總線互連方案（見圖2）。節點0～n采用一級CAN總線互連，節點1～n伺服控制模塊為相同硬件的標準化模塊，伺服控制模塊與伺服驅動器之間采用二級CAN總線分布互連。其中，節點1伺服控制模塊實現方位、高低瞄準伺服控制系統位置環控制，并由CAN總線發送速度指令控制伺服驅動器1和驅動器2。節點2伺服控制模塊實現擺彈和輸彈伺服系統控制，節點3伺服控制模塊實現補供彈系統的供彈、揚彈和推彈伺服控制，并由CAN總線發送速度指令控制相應驅動器。該方案將伺服控制系統數據交互分解到兩級CAN總線傳輸，每路CAN總線控制節點和數據量減少，提高了擴展性，適用于艦炮伺服控制系統規模大、CAN總線節點數量多場合。

2 伺服控制硬件及接口

伺服系統由伺服控制模塊、伺服驅動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計標準化伺服控制模塊，伺服驅動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，主要介紹標準伺服控制模塊和CAN總線接口設計。

2.1 伺服控制模塊設計

伺服系統單級、兩級CAN總線分布式控制方案均采用標準伺服控制模塊，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芯片內部集成1路CAN總線控制器，并用獨立CAN控制器芯片SJA1000擴展另外1路CAN接口。伺服控制模塊的SDC輸入通道、D/A通道以及16路并行數據通道均通過CPLD配置端口。其他輔助電路包含電源適配電路、時鐘振蕩電路和存儲電路[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 總線接口設計

CAN總線接口設計包括集成CAN總線接口和獨立CAN控制器接口設計方法。

集成CAN接口由DSP集成增強型控制器區域網路（eCAN）模塊和驅動器接口電路組成。CAN總線采用獨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，總線收發器選用UC5350器件，采用磁場隔離器件對CAN通信信號CANH，CANL進行隔離，相比傳統光電隔離器件，具備更高和更穩定的傳輸速率。

獨立CAN控制器設計選用控制器SJA1000[5]，該芯片提供的微處理器接口方式為地址數據多路復用總線模式，而DSP芯片總線接口方式采用地址和數據分離的形式。SJA1000與DSP之間總線接口采用CPLD控制，SJA1000芯片地址數據線總線復用采用CPLD編程實現總線緩沖器件功能[6]。擴展接口電路圖如圖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 擴展接口電路Fig.5 SJA1000 expansion interface circuit

3 CAN 總線傳輸協議

CAN總線分布式伺服控制結構，既要求高的數據通信速率，而且要求數據傳輸實時性，通過合理的通信協議設計降低伺服控制對網絡帶寬的依賴，提高實時性[7 - 8]。CAN 總線網絡采用“一主多從”總線型結構，每個伺服控制節點作為網絡中從節點，顯示控制模塊作為網絡唯一主節點，除發送指令和狀態顯示外，同時負責整個網絡通信調度和運動時序控制。相比多主節點CAN總線工作方式，該方式避免了通過報文標識符競爭總線訪問優先權，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送周期為20 ms的時間同步基準信號，通信節點分時占用總線，減少了CAN總線數據量過大造成的堵塞，保證了通信實時性，

CAN總線通信報文格式如圖6所示，標識為29位標識符，b28，b27最高位固定為1，b24～b26為發送節點的節點號，b20～b23位表示報文數量從0開始，b0～b19位每一位表示一個接收節點，b19位代表顯示控制模塊接收節點，b18、b17、b16分別代表方位、高低、擺彈伺服控制模塊接收節點，未用的均為0。顯示控制模塊發送給方位、高低、擺彈伺服控制模塊的數據報文標識為1A03 1000H。

圖6 CAN 總線郵箱消息數據格式Fig.6 CAN bus mailbox message data format

以顯示控制模塊與CAN總線傳輸為例，傳輸數據格式如表1所示。艦炮方位、高低、擺彈運動角度及反饋數據長度16位，有效位15位，符號位為最高位，最低有效位180°/215，數據范圍-180°～+180°，方位、高低、擺彈前饋數據采用，16位2進制無符號數，有效數字為：0x0000～0x7FFF，表示速度范圍為0～60°/s。輸入輸出信號為二進制數據，代表輸出控制指令和狀態反饋代碼。

4 試驗情況

艦炮具備方位、高低、擺彈和輸彈等多個伺服控制節點，系統采用兩級CAN總線分布式互連。CAN總線傳輸速率設定512 kBit/s，方位、高低、擺彈以及輸彈等伺服機構在速度為30°/s等速跟蹤運動的實測誤差曲線如圖7～圖10所示。

表1 顯示模塊與伺服控制模塊CAN總線傳輸數據格式Tab.1 Monitor and servo control module cAN data format

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

圖8 高低瞄準等速運動誤差曲線Fig.8 Vertical system constant velocity error curve

圖9 擺彈機構等速誤差曲線Fig.9 Swing gear constant velocity i error curve

圖10 輸彈機構等速誤差曲線Fig.10 Projectile mechanism constant velocity error curve

伺服控制中斷數據處理周期設定Tc=10 ms，當CAN總線傳輸速率大于125 kbit/s時，數據報文延遲Tr＜1.0 ms，遠小于系統中斷周期，伺服系統實時性和控制精度都能保證。從試驗結果可以看出，伺服系統等速誤差均滿足系統給定指標要求：等速誤差1.5 mrad（1.0 mrad≈0.057°）。

綜上所述，分布式控制系統，關鍵需要解決伺服控制實時性問題。CAN總線分布式網絡取代傳統并行信號連接，采用數字化實時通信取代傳統模擬信號，實現網絡閉環控制。本文設計出了基于CAN總線分布式伺服控制系統，當CAN總線傳輸速率大于125 kbits/s時，CAN總線分布式伺服控制系統，實時性和控制精度滿足使用要求。