基于CAN总线的网络化运动控制系统的研究

　　1 引言

　　运动控制系统是以机械运动的驱动设备—电动机为控制对象, 以控制器为核心, 以电力电子、功率变换装置为执行机构, 在自动控制理论指导下组成的电气传动控制系统。在电气时代, 电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。在近年来, 由于半导体制造设备等相关的电子制造设备市场大幅成长, 而使得机器设备上的运动控制系统出现了以下几点技术需求:

　　( 1) 多轴运动控制。机器设备因自动化程度提高而使得单一机器上所需要的轴数增多, 一台设备上十几轴是常见的事情。在轴数变多后, 如何协调各轴动作就是一个重要的课题。

　　( 2) 体积要小。由于厂房空间的限制, 机器的体积要求越小越好, 机器内控制器的体积也就被要求愈来愈小, 相对的走线空间也愈来愈小。

　　( 3) 要更精确。随着半导体制程已经精密到100nm 一下, 在制程及检测相关设备所要求的运动精度也要更精确, 其它如LCD 设备, SMD 制程设备也有相同要求。

　　( 4) 要更稳定。因为所有设备的投资经费庞大, 系统停机的成本就更显的突出, 因此所有机器设备制造商都必须追求系统的稳定性。同时也必须考虑在组件损坏要维修时, 必须能快速替换且不出差错。

　　综合以上几点的需求分析可以看到, 既要在一个控制器内进行多轴运动控制, 又要控制器的体积更小, 配线和维修要更容易, 这些条件看来是相冲突的。可以这样说, 现场总线技术便是应这些新机器设备的需求而产生的。

　　2 现场总线运动控制系统通信特性

　　用于运动控制的现场总线有两种通信控制策略: 事件触发和时间触发。事件触发中, 控制单元检测到事件发生后, 根据预定的算法计算出正确的应答, 然后将应答信息发送给数字伺服驱动器。从事件发生到应答信息的接收之间的延时必须是有限的, 也就是最大值必须是可知的, 它的值就是通信协议的实时性指标。但是, 事件触发中的事件是随机的、不可预知的, 所以导致现场总线通信的不确定性, 系统中的各个站点会争用传输介质,导致通信的冲突和不可靠, 很难保证高的实时性。事件触发通常是非周期性的, 使用非周期性数据传输实现最为简单, 但是也可以用周期性数据传输实现, 此时, 就必须标识哪个周期的数据为有效数据。

　　时间触发通常是周期性地进行的, 控制单元周期性地计算出控制数据, 然后及时发送控制数据给伺服驱动器。控制和通信是通过一个全局时钟进行驱动的, 系统的行为不仅在功能上得到确定, 而且在时间上也是确定的, 各站点不会争用传输媒介,整个系统是可靠的。时间触发控制中的通信周期时间应该等于控制周期时间, 或者通信周期时间能够被控制周期时间整除。周期性的时间触发中, 通信周期时间必须固定, 不能有明显的波动, 即数据传输必须有确定性, 也称为实时性。