基于CAN 總轉的多軸轉臺控制系統設計

李唐 洪晴

（南京工業職業技術大學工程技術實訓中心，江蘇南京 210023）

1 概述

在自動化設備中經常會遇到多軸轉動的問題，比如多軸機床。在復雜的環境下要實現多軸精確定位，需要考慮復雜電路對系統的干擾問題，同時，系統要盡量簡單，避免多環節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[1]。為了實現系統簡單，考慮采用總線控制方式，因為CAN 總線抗干擾性比較強，所以設計了基于CAN 總線的多軸轉臺控制系統。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，這樣系統元件增加，成本較高。

針對上述問題，本文設計了四軸轉臺控制系統，轉動范圍-180°～+180°，轉動速度1-10°/s 可調。采用基于CAN 總線的控制方式，同時選用觸摸屏作為控制，實現控制器與人機界面一體，該系統結構簡單，精度高，可靠性高。

2 系統組成

CAN 總線可根據總線驅動能力支持100 個以上節點，具有接口簡單，傳輸速率高、實時性好、抗干擾能力強等特點，非常適合伺服系統多節點、高實時性的要求[2]。威綸eMT 系列觸摸屏可以作為主站，從而實現對節點驅動器的控制。同時觸摸屏可以實現人機交互。電機為伺服電機，本文以施耐德BSH 伺服電機，驅動器型號為匹配的LXM32A 系列伺服驅動器為例。觸摸屏與節點之間采用CAN 總線進行通信，接口協議為CANopen，采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質設計。系統網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 網絡拓撲結構圖

觸摸屏作為主站，通過CAN 總線與4 臺電機驅動器連接，通過電機驅動器設置4 臺電機分別設置為節點1 至節點4，比特率均為1Mbp，觸摸屏與上位機留有RS485 串口，可實現上位機對系統的監控。

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

圖2 添加CAN 節點從機

3 系統軟件設計

3.1 軟件框圖

軟件開發工具為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。為了實現各電機的精確定位，軟件設計通過CAN 總線操作伺服電機驅動器位置環。首先上電初始化CAN，然后判斷是否按下相應軸的啟動按鈕，如啟動則關使能，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，如合法則使能電機，電機運動到目標角度。控制程序原理框圖如圖3 所示。

圖3 控制程序原理框圖

3.2 宏指令設計

觸摸屏是通過運行宏指令來給電機發送指令和數據的，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，從而對組態的控件執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，分別用于實現不同的功能。如“回告”指令用于上報給上位機系統的角度數據。“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的宏指令實現。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場總線的方式來執行運行模式，在設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置運動曲線[3]。在執行相對運動時，運動以上次目標位置或者當前電機位置為參考；執行絕對運動時，因為執行的絕對運動是完全以零點為參考的，所有在首次執行絕對定位之前，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，我們先將各種調整至機械零點，然后通過can 總線讀取各軸電機編碼器的數據，將機械零點時的數據標定為零點。后面產生的運動都是以此零點為基礎。

在軸1 定位宏指令中，我們分別通過函數SetDataEx 關使能，設置位置模式，設置速度。然后在循環中，不斷通過GetData函數讀取觸摸屏數值元件RW25 輸入的軸1 的目標角度，并進行角度轉換，最后通過函數SetDataEx 使能驅動器，電機實現轉動。具體程序如圖5 所示。其他功能宏指令與此示例類似，均通過相應函數實現，這里不再贅述。

圖5 主要程序

4 界面設計

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

圖6 界面設計

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試軟件SoMove 軟件監控電機運行狀態，通過觸摸屏設置目標角度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。

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 結論

本文設計了多軸轉臺控制系統，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，各軸伺服電機驅動器為從站。軟件開發使用宏指令實現。最后模擬驗證，該系統能夠實現轉動范圍-180°～+180°，轉動速度1-10°/s 可調的技術要求，控制精度0.1°。該控制系統結構簡單，可靠性高。