多軸伺服驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，是一種完成復(fù)雜型體加工的數(shù)控設(shè)備伺服系統(tǒng)，采用的多軸協(xié)調(diào)方式是自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的，具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特征。它對(duì)各驅(qū)動(dòng)軸軸之間的相互協(xié)調(diào)，提出了很高的要求。

　　數(shù)控設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，是數(shù)控設(shè)備的心臟，決定數(shù)控設(shè)備性能的優(yōu)劣。傳統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備控制系統(tǒng)，多采用集中控制方案，通常由一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過多塊A／D，D／A板與下層的伺服驅(qū)動(dòng)器和傳感器連接通信。這樣的控制系統(tǒng)模塊繁多，模塊之問的連接復(fù)雜，依賴性強(qiáng)，降低了系統(tǒng)的開放性和可靠性，增加了功耗，難以完成十多個(gè)以致數(shù)十個(gè)軸的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。

　　上世紀(jì)90年代以來，數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)器和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的引入，為數(shù)控設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來了重大的變革，產(chǎn)生了利用數(shù)字通信的開放的分布式控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，國(guó)外許多的多軸伺服系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，都采用了分布式控制結(jié)構(gòu)，它代表了數(shù)控設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。

　　日本本田公司于1996年展示了一個(gè)仿人形的兩足行走機(jī)器人P2，1997年又推出了兩足行走機(jī)器人P3田。P2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用的是集中式結(jié)構(gòu)；而P3機(jī)器人采用的是分布式結(jié)構(gòu)，使數(shù)控設(shè)備的體積和重量都大大減小了。P2機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制板與每個(gè)驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，需要650根連線，非常龐大；P3機(jī)器人數(shù)控設(shè)備的計(jì)算機(jī)放在相應(yīng)的腿和臂上控制驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，這些計(jì)算機(jī)像局域網(wǎng)一樣采用內(nèi)部總線連接，連線的數(shù)量減少到了30根。由于連線和體積的減少，P3機(jī)器人的能耗只相當(dāng)于P2的1／3，連接器和接觸器的數(shù)量也從2000多個(gè)減少到500個(gè)，大大提高了機(jī)器人的可靠性。由此實(shí)例可以看出，基于總線技術(shù)的分布式結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)集的中式結(jié)構(gòu)，更適用于數(shù)控設(shè)備的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(CAN)，是上世紀(jì)90年代以來興起的一種先進(jìn)工業(yè)控制技術(shù)口)，它是一種全數(shù)字式、全開放、全分散式、可互操作的開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的新一代控制系統(tǒng)，是通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的綜合和集成，目前已成為世界上自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)之一。

　　CAN總線技術(shù)，解決了多節(jié)點(diǎn)通信的總線沖突問題，同時(shí)它所具有的完善的功能是RS485等串行總線無法比擬的。

　　CAN自誕生以來，以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想、良好的功能特點(diǎn)和極高的可靠性，已經(jīng)在許多行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　多軸伺服驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，采用的多軸協(xié)調(diào)方式自動(dòng)化程度最高，控制難度最大嘲，具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特征。該系統(tǒng)對(duì)各驅(qū)動(dòng)軸之間的相互協(xié)調(diào)，提出了很高的要求，主要是和各軸的伺服驅(qū)動(dòng)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，涉及到了復(fù)雜的多軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制刪。因此，對(duì)通信速率、確定性和實(shí)時(shí)性，都提出了很高的要求。同時(shí)還希望體積和功耗都盡量小，總線與上層計(jì)算機(jī)和下層驅(qū)動(dòng)器的接口，最好是有現(xiàn)成的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以方便設(shè)備的選用和連接。

1 CAN總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　CAN是控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network)的簡(jiǎn)稱圈，是由德國(guó)的Bosch公司及數(shù)個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)商開發(fā)出來的，從最初應(yīng)用于汽車的檢測(cè)和控制，到后來逐步發(fā)展到其他工業(yè)部門。CAN總線，是目前已經(jīng)被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線協(xié)議，遵守ISO／OSI模型，采用了其中的物理層、鏈路層和應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)。通信速率最高可達(dá)1Mbps(40 m)，連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纖等。CAN總線有以下主要特點(diǎn)：

　　(1)信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低；

　　(2)每一幀信息都有CRC檢驗(yàn)等措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低；

　　(3)可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多點(diǎn)以及全局廣播等幾種方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，且無主從之分；

　　(4)采用非破壞的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)，由多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問；

　　(5)在發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯(cuò)而遭破壞的幀可自動(dòng)重發(fā)送；

　　(6)可以判別暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)，并可故障節(jié)點(diǎn)自動(dòng)脫離網(wǎng)絡(luò)。

　　系統(tǒng)由兩個(gè)S3C44BOX和兩條CAN總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，分別控制多軸伺服驅(qū)動(dòng)軸，兩臺(tái)S3C4480X之間通過以太網(wǎng)卡進(jìn)行通信。對(duì)下層的每一個(gè)伺服節(jié)點(diǎn)(自由度)要設(shè)計(jì)一塊與CAN總線的接口電路板，來完成對(duì)該軸的角度和角度速度的閉環(huán)控制。該接口電路板帶有CAN總線通信控制器(PHILIPS82C200、SJAl000或INTEL82527等)、CAN控制器接口82C250、80C196KC單片和DA芯片等。

　　使用CAN總線的數(shù)控設(shè)備控制系統(tǒng)，采用模塊化的硬件組合，在硬件發(fā)生改變的情況下，僅僅改動(dòng)與它相連的總線配置即可，現(xiàn)場(chǎng)總線可連接的設(shè)備類型和設(shè)備數(shù)目也相對(duì)較多。多軸伺服驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，是一種完成復(fù)雜型體加工的數(shù)控設(shè)備伺服系統(tǒng)，它采用的多軸協(xié)調(diào)方式自動(dòng)化程度最高，最為復(fù)雜，具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特征。它對(duì)各驅(qū)動(dòng)軸之間的相互協(xié)調(diào)提出了很高的要求。

2 系統(tǒng)通信的計(jì)算

　　對(duì)于多軸伺服驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來說，主要是和各軸的伺服驅(qū)動(dòng)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳輸距離不大，但涉及到了復(fù)雜的多軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，因此對(duì)通信速率、確定性和實(shí)時(shí)性都提出了很高的要求。同時(shí)還希望體積和功耗都盡量小，總線與上層計(jì)算機(jī)和下層驅(qū)動(dòng)器的接口，最好是有現(xiàn)成的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以方便設(shè)備的選用和連接。前述CAN總線的特點(diǎn)，正好可以滿足要求，而且CAN總線的基本線路成熟，其下層的相關(guān)元器件和開發(fā)系統(tǒng)在市場(chǎng)上均容易找到，價(jià)格也能夠接受，這將會(huì)節(jié)省大量的硬件開發(fā)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。在綜合技術(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性兩方面的考慮之后，我們選擇了CAN總線。

　　多軸伺服驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)下肢共15個(gè)自由度：其中腰部3個(gè)，髖驅(qū)動(dòng)軸3個(gè)，膝驅(qū)動(dòng)軸1個(gè)，踝驅(qū)動(dòng)軸2個(gè)，采用國(guó)際上先進(jìn)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線和數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)器的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)方案中，上位計(jì)算機(jī)選用兩臺(tái)嵌入式S3C44BOX(S3C4480X是嵌入式Pc的機(jī)械電器標(biāo)準(zhǔn)，它采用堆疊式模塊化結(jié)構(gòu)，將各S3C44BOX功能塊疊在一起)，來完成數(shù)控設(shè)備運(yùn)動(dòng)的步態(tài)軌跡規(guī)劃、補(bǔ)償校正和各驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)作協(xié)調(diào)。系統(tǒng)由兩個(gè)S3C44BOX和兩條CAN總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，分別控制多軸伺服驅(qū)動(dòng)軸，兩臺(tái)S3C4480X之間，通過以太網(wǎng)卡進(jìn)行通信。對(duì)下層的每一個(gè)伺服節(jié)點(diǎn)(自由度)要設(shè)計(jì)一塊與CAN總線的接口電路板，完成對(duì)軸的角度和角度速度的閉環(huán)控制。接口電路板帶有CAN總線通信控制器(PHIuPs82c200、SJAl000或INTEI．,82527等)、CAN控制器接口82C250、80C196KC單片和DA芯片等。該方案的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　通信的數(shù)據(jù)量估計(jì)：主控制器每次向每個(gè)控制接點(diǎn)發(fā)送3個(gè)數(shù)據(jù)(包括轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度或轉(zhuǎn)矩)，每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)向主控制器回送2個(gè)數(shù)據(jù)(包括轉(zhuǎn)角、角速度)，每次收發(fā)共5個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)占2個(gè)字節(jié)(Bytes)，總共需要lO個(gè)字節(jié)?？紤]到CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和幀間空間，保守的估計(jì)，每次發(fā)放的實(shí)際數(shù)據(jù)量是理論傳輸數(shù)據(jù)量的3倍；下肢CAN總線有15個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，每隔20rim主控制器S3C44BOX與總線連接的各個(gè)節(jié)點(diǎn)要完成一次數(shù)據(jù)通信，50次／s，由上可以估算出數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋?/p>

　　50X153 X5X2Bytea8Bits=180 kbps．

　　而CAN總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 M bps。完全能夠滿足實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)所需的數(shù)據(jù)傳輸要求。上位機(jī)與下層節(jié)點(diǎn)的通信采用中斷方式：上位機(jī)在每個(gè)控制周圍(20ms)的開始時(shí)刻，依次對(duì)下層的各個(gè)伺服節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)收交換；下層節(jié)點(diǎn)接在收到上層指令數(shù)據(jù)之后，發(fā)送采樣所得的返回?cái)?shù)據(jù)給上位機(jī)，并由上層廣播發(fā)布的同步指令指揮同步執(zhí)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　(1)采用CAN總線不但大大減小了體積，節(jié)省了空間，而且和上位機(jī)S3C44BOX的連接也可采用S3c44Box的標(biāo)準(zhǔn)CAN控制卡模塊，從而提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)控設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將會(huì)有更大的改進(jìn)，其可靠性、開放性和集成度將大大提高。

　　(2)在硬件發(fā)生改變的情況下，僅僅改動(dòng)與它相連的總線配置即可，增加或減少數(shù)控設(shè)備的自由度也非常方便，從而大大減少了系統(tǒng)硬件改動(dòng)所需的時(shí)間。現(xiàn)場(chǎng)總線可連接的設(shè)備類型和設(shè)備數(shù)目也相對(duì)較多。

　　(3)在伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行位置環(huán)控制的同時(shí)，上層計(jì)算機(jī)還可以通過總線獲得驅(qū)動(dòng)軸角度反饋信息。上位機(jī)既能對(duì)下層驅(qū)動(dòng)軸角伺服回路進(jìn)行開環(huán)協(xié)調(diào)控制，又能進(jìn)行位置補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。