基于CAN總線的三軸步進運動控制平臺設計*

大連大學信息工程學院 葛家安 胡玲艷 王維壯 毛銀杰

工業4.0和中國制造2025已成為當今熱點主題，自動化生產產業的迅速發展與崛起極大地提高了生產效率，PLC與運動裝置的廣泛使用，將人從繁重的勞動中解放出來。同時伴隨著現場總線技術的發展，傳統的信號傳輸方式逐漸被現場總線數字技術所代替，使現場設備級組網更加快捷、高效。CAN總線為運動控制系統各節點之間實現實時、可靠的數據通信提供了有力的技術支持。本文基于CAN總線自主設計的多軸運動控制系統，利用多主方式、非破壞性仲裁技術、CRC校驗及實時錯誤校驗等技術，完成現代多軸運動控制系統的總線集成，通過CAN總線與PLC可控制多個步進電機同步、精確運動，性價比高，對實際工業定位系統具有較強現實意義。

近年來，國內開始引進多軸運動控制系統，盡管一些研究數控設備的廠商開始研制運動控制系統，但研制出來的系統仍不屬于獨立的精確運動控制產品，我國到21世紀國內才開始多軸運動控制系統的研發和推廣，并逐漸走向成熟和規模化。當前，運動控制技術日益受到世界各國的高度關注，德國的西門子、日本的三菱、中國臺灣的臺達等公司也研制出來了各式各樣的運動控制產品，成為了機電一體化的關鍵技術。

1 系統概況

本文利用CAN總線自主設計多軸運動控制系統，選用三軸步進驅動模塊及電機，基于CAN總線技術，采用西門子S7-1200PLC對步進三軸電機的精確控制進行設計，通過西門子TIA博途編程軟件編寫程序，在參數設置方面，系統由昆侖通泰MCGS觸摸屏實現組態監控與人機交互，針對不同的功能動作，設置不同的參數，并顯示監控的參數狀態。針對系統控制，有控制面板實體按鍵和觸摸屏組態按鍵兩種不同的方式實現對PLC控制信號的輸入進而實現對三軸步進電機運動的啟動，停止與復位。整個系統使用CANopen總線進行網絡的構建,搭建起PLC與運動部分的通信通道。通過TIA博途編程軟件進行編程并下載到設備，通過上位機對參數讀取與寫入，實現對系統進行控制，以達到精確點位控制的目的。

1.1 系統控制流程

系統利用西門子PLC的各功能模塊實現綜合控制，結合上位機、人機界面實現對整個系統實施系統化監控管理。PLC作為系統的控制器，結合各功能模塊實現對步進電機驅動器的直接控制，間接實現對步進電機的控制。系統通過光電傳感器以及控制按鈕產生的信號作為PLC輸入信號，經PLC輸出信號至步進電機驅動器，在由驅動器產生信號驅動步進電機。系統總控制流程圖如圖1所示。

圖1 系統總控制流程Fig.1 Overall control flow of the system

傳統的運動裝置如果要用PLC對一個步進驅動器進行控制，除必要的電源線和電機驅動線之外，最少還需要接多根線才能使一臺步進驅動器正常工作。并且，要想對整個系統的運行狀態進行監控，則每個步進驅動器還要額外再接多根線，可想而知，會造成工作量的加大，增加工作時間和空間上的資源占用，造成資源的浪費。

若在傳統的運動裝置上采用CAN總線的技術進行控制，在裝置上連接的幾十根線就可以換為1根CAN通訊線，通過CAN總線方式連接進行控制，這種控制方式不光能對系統進行控制，而且還能監控系統的實時狀態，大大減少了線束的限制、時間的浪費以及空間上的節約，避免了資源的浪費。

1.2 步進電路設計

根據步進的電氣要求，給步進驅動器供24V的電源使驅動器正常工作。給驅動器的P+端口和R+端口同時供給5V電源，使驅動器能夠識別脈沖來控制步進電機工作。給驅動器的P-連接PLC的Y0輸出，來接受脈沖數指令；給驅動器的R-連接PLC的Y1，來接受脈沖方向指令，P-與R-共同作用來控制步進電機的正反轉以及運行時的速度和加速度。

1.3 PLC電路設計

根據PLC的電氣要求，要給PLC供24V電源使PLC正常工作；將CAN通訊口與驅動器連接，進行數據操作。將Y0與Y1連接到步進驅動器上，給步進驅動器提供脈沖。最后將輸入點X接到開關上，來控制電機的正反轉。

1.4 CAN總線的優勢與利用

CAN總線被細分為CAN總線數據對象層（The Object Layer）、CAN總線數據傳輸層（The Transfer Layer）和CAN總線物理層（The Physical Layer）三種結構層次，具有如下優點：

(1)CAN總線的工作方式為多個主站共同工作的方式，即不分主站和從站，通信方式比較靈活。

(2)CAN總線節點數據信息根據標識符的大小被分成不同的優先級，可滿足系統對數據的實時性的要求。

(3)采用仲裁技術，當總線中同時存在有多個數據信息時，根據標識符所定義的數據信息的優先級的高低，從優先級高到低次序依次發送數據信息，使總線避免出現因數據信息超載而出現的網絡癱瘓的情況且使CAN總線具有非破壞性仲裁的功能。

(4)CAN總線的報文可以實現一對一發送、一對多發送、全局廣播發送方式。

(5)CAN總線的通信速率最高可達1Mbit/s，此時通信距離為40m。

(6)CAN總線的節點數取決于驅動電路，在總線中目前最高可以達到接110個節點，過遠距離的傳輸可以使用CAN總線驅動器進行驅動。

(7)CAN總線采用短數據幀結構，數據信息傳輸的時間短，抗干擾能力強，檢錯效果好，能很好地保障總線傳輸的數據的準確性。

(8)在CAN總線出現嚴重錯誤報警時，總線還可自動關閉輸出功能。

本文充分利用CAN總線的技術優勢，實現不同驅動設備之間的總線通信，實時性、可靠性強，節省設備I/O點的資源。CAN總線中具有的CRC校驗場最大程度的保證了傳輸的數據不會出現錯誤。CRC校驗場場包括CRC序列、CRC界定符。CRC序列由循環冗余碼求得，其中，CRC界定符只包含了一個隱性的Bit，發送、接收數據場的最后一位，CRC－RG包含CRC序列。

2 創新性設計

步進電機是靠接收脈沖電流來實現速度、位置和方向的控制，脈沖的多少決定步進電機的位置，脈沖的速率決定電機的轉速，脈沖的方向決定電機的轉向。現在大多數步進電機的控制方式就是用PLC發脈沖給驅動器，驅動器驅動電機運轉。脈沖型方式已經存在了幾十年，對于一些應用要求比較高的場合，如在運動過程中需要力矩模式，脈沖型是無法對電機電流做到控制從而調整力矩，而總線型就可以做到。脈沖型已經不能滿足需求，需要總線型來控制。

系統需要使用多個步進電機的，如果使用脈沖型一是不好控制，一個PLC最多也就可以控制六七個軸，電機一多就需要多個上位機，對空間體積要求比較大，而大多醫療器械體積就比較小巧緊湊，二是電機多了脈沖型布線很難，線路一多就存在信號干擾問題導致設備不穩定。如果使用總線型就只需要兩根信號線和電源線把所有電機串聯起來，設計和安裝都非常方便，也不會存在大量布線的信號干擾問題。

總線型方式相對于脈沖型不僅僅是體積上面小巧很多，控制程序的編寫也會相對于PLC梯形程序簡單許多，而且還能做到電機電流、電壓、溫度、堵轉等的時時反饋，電流、細分的時時改變，s形加減速、模擬量、同步指令、離線控制等的簡單控制。總線型對于脈沖型來說有很多新的功能特點，總線型是未來步進電機運動控制的發展方向和趨勢。系統設計硬件如圖2所示。

圖2 設計實物圖Fig.2 Physical design

3 結語

本文基于CAN總線技術采用西門子PLC控制步進電機實現運動平臺進行設計，考慮實現多種不同功能，進行選材設計。研究了在多軸運動控制系統中應用CAN總線技術是具有可行性的系統。對比于傳統的多軸運動控制系統，大大節約空間和時間，減少了資源的浪費，同時增大了系統的可擴展性。使用CAN總線的系統對比傳統的系統，也增加了實時性、可靠性及控制方式的靈活多樣性。本設計可節省系統I/O點的資源，不再局限于控制器的帶負載量，進而系統有更強的擴展性，充分適應現代化系統的多樣性與需求，也為后續對使用CAN總線的控制系統的研究提供了一定的研究參考。