（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究.pdf

! 旦型兰堕皇三婴塞盟堡主堑塞生兰些丝壅 茔士! 型璺丝塑翌墨竺丝玺皇垫旦生丝型塑鲨墼婴塞 r e s e a r c ho n s y n c h r o n i z e dc o n t r o l o fm u l t i m o t o r i ns e r v es y s t e mb a s e do nc a nb u s l ij i n g l a n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e ) d i r e c t e d b yw a n gp i n g m u l t i p l em o t o r s h a v eb e e nu s e df o rs e r v es y s t e m s w i d e l yi nr e c e n ty e a r st om e e t t h ei n c r e a s e dr e q u i r e m e n to fs e r v os y s t e m s i no r d e rt o i m p r o v e 血ed y n a m i ca n d s t a t i cp e r f o r m a n c e s ，a n dt oi n c r e a s ft h el o a da b i l l t yo ft h es y s t e m ，t h ep r o b l e mo f s y n c h r o n i z e dd r i v eo f m u l t i p l em o t o r sm u s tb et a k e ns e r i o u s l y , t h u s ，t h es y n c h r o n i z e d c o n t r o lo fm u l t i p l em o t o r si s v e r yi m p o r t a n t as u c c e s s f u ls y n c h r o n i z e dc o n t r o l s c h e m em u s tc e n t r e lb e 也t h e s p a c i a la n d t h et e m p o m la s p e c t so ft h em o t i o n i nt h i s s e n s e ，s y n c h r o n i z a t i o nr e f e r st oc o n t r o l l i n gt h ep o s i t i o n sa n dv e l o c i t i e so ft h em o t o r s r e l a t i v et oe a c ho t h e rs ot h a t t h e yr e m a i nw e l l c o o r d i n a t e d i nt h i sp a p e r , as y s t e mw i t ht w om o t o r st od r i v eo n ea x ei sp r o p o s e d i nt h i s s y s t e m ，t h ev e l o c i t ya n dp o s i t i o ns y n c h r o n i z a t i o no ft h et w om o t o r si st h ev e r y i m p o r t a n tt h i n g i n t h i s s e n s e ，t h ei m p r o v e dc r o s s - c o u p l ec o n t r o l a l g o r i t h m f o r s y n c h r o n i z e dm o t o rc o n t r o lj su s e dt oe m p h a s i z es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt h et w o m o t o r sa te x l ：i e n s eo f f o l l o w i n gt h ec o m m a n d a b s o l u t e l y i nc a s eo f s y n c h r o n i z a t i o n f o rm u l t i p l em o t o r s 。t h er e a lt i m ed a t ac o m m u n i c a t i o n i sn e c e s s a r y i no r d e rt os a t i s f yt h i sr e q u i r e m e n t ，t h ec o m p l e x s i g n a ll i n e sa r eu s u a l l y u s e dt od e t e c tt h es p e e da n d p o s i t i o no f e a c h m o t o ra n dt oc o m m a n dt h ed e s i r e ds p e e d a n d p o s i t i o n s u c hat r a d i t i o h a li m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u ei n d u c e sm a n yp r o b l e m si n t h ev i e wo f r e l i a b i l i t ya n de c o n o m y b e c a u s eo ft h ea m o t m ta n dc o m p l e x i t yo f w i r i n g ， n o i s ea n dm a i n t e n a n c ep r o b l e m s ，e t c i no r d e rt or e m o v et h e s ep r o b l e m s ，as i m p l e s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mw i t l lt h ea i do f s e r i a lc o m m u n i c a t i o nu s i n gc a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) i s p r o p o s e di nt h i sp a p e r i nt h i sc a s e i n f l e x i b l ea n de x p e n s i v es p e c i a l w i r i n g i sn o t n e c e s s a r y f u r t h e r m o r e ，t h es y s t e mc a nb em o d i f i e di nt e r m so f n e t w o r k n o d e sw i t h o u tc h a n g i n gt h e w i r i n g k e y w o r d s ：f i e l db u sc a nb u s s y n c h r o n i z e d c o n t r o l a l g o r i t h m m u l t i - m o t o rd f i v e n 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文基于c a n 总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究 1 1 论文选题的目的和意义 第一章绪论 传统的伺服系统多采用单一电机实现单轴控制，但是电机的输出转矩有一 定的限制，当伺服系统需要较大的驱动功率时，必须特制功率与之相匹配的驱 动电机和伺服驱动器，使得系统的成本上升，而且过大输出功率的电机会受到 制造工艺和电机性能的影响，大功率的伺服驱动器的研制也会受到半导体功率 器件的限制。随着大功率驱动系统需求的增多，以及对系统通用性和可靠性要 求的提高，研究用多个电机共同完成单轴的驱动任务已经越来越具有实际的意 义。在这一基础上本课题提出用多个相同功率的电机共同驱动单轴系统，分担 力矩，由p c 机作为上位机进行速度和位置的协调控制，各电机与上位机通过 现场总线相连，可以互相通信。这样系统具有通用性和可互换性，降低了系统 成本，而且通过现场总线技术使伺服系统成为开放的系统，可以方便地移植于 其他伺服系统中。 本课题在传统采用单电机进行控制的伺服系统基础上，提出采用个人p c 机作为上位机控制多台电机共同承担一个轴的驱动任务，采用m o t o r o l a 公司生 产的嵌入式控制器d s p 5 6 f s 0 5 型芯片作为下位机控制交流伺服电机，并采用现 场总线进行上位机与下位机之间的通信。 1 2 多电机同步控制的发展状况分析 随着近年来工业的发展，对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高，单 单针对一台电机的控制在某些场合已经不能满足现代高科技发展的要求，而需 要人们控制多台电机，让其更好地协调运行。保持多电机的协调运转常用两种 方法：一种是机械方式，另一种是电方式。采用机械协调传动时，由于机械连 接牢固可靠，得到较多的应用。但机械协调传动方式对一些要求高精度动态定 位的控制难以取得较好的效果。与此相反，电方式的多电机的协调控制使用更 加灵活。 对于电方式的多电机协调控制的研究主要是深入到速度和转角的双重协调 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文第一章绪论 控制研究，它的研究成功将为军事、航空以及一般工业技术领域等需要统一动 作功能的多电机提供协调控制技术。例如它可应用于航空器的对接，未来的智 能化雷达群、火炮群等的协调控制，柔性机械，高性能的数控技术，机器人控 制以及恶劣环境下的电机运行状况的重现和高速加工中的动态更换刀具等。高 性能的协调控制还可以提高纺织、冶金、机械、造纸、印刷等行业产品的质量 和成品率。所有这些都离不开多台电机的协调控制【l 】。 在工业生产中，伺服控制是机械加工控制系统的基础。一个机械系统通常 有多个轴需要伺服控制，对这些轴的控制就是控制驱动轴的电动机。在这种伺 服系统中。最常见的控制算法为多电机非交叉耦合控制算法，非耦合控制算法 的基本结构如图1 1 所示。但是由于各电机的动态性能不可能完全一样，并且 由于受到负载干扰郛噪声干扰等诸多因素的影响，各电机的动态性能也是在不 断改变的。因此针对提高每一个电机控制精度，而对其它电机具有不可预见性 的多电机非交叉耦合控制策略显然不能达到多电机驱动的高精度伺服系统的要 求。针对这种情况，k o r v n 于t 9 8 0 年提出交叉耦合补偿控制策略，它的基本结 构如图1 2 所示吲。 给定 图1 - 1多电机非交叉耦合控制结构框图 图1 2 多电机交叉耦合控制结构框图 生里型堂堕皇王研究所硕士研究生毕业论文基于c a n 总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究 由于同步控制涉及到控制多个电机，因此多变量控制成为同步控制的基本 控制算法。这种同步控制主要有两种结构方式：等状态方式和主从方式。在等 状态方式下的同步控制器是以同等的方式对待每一个控制电机，而不偏袒任何 电机。 然而，如果这些电机的动态性能相差较大，等状态控制方式不是最好的选 择。这种情况下，应选择主从方式，主从方式的耦合控制算法的结构图如图1 3 所示( 其中电机l 为主动电机，电机2 为从动电机) 。电机2 处于伺服控制中且 它的速度和位置取决于电机l 的速度和位置，也就是说，电机1 起到支配电机 2 的作用，而电机2 处于被支配的地位并且跟踪电机1 。 给定 图1 3 主从方式的耦合控制结构框图 自从1 9 8 0 年k o r e n 提出交叉耦合控制算法以后，许多科学工作者围绕“多 电机协调控制”展开了进一步的研究，特别是9 0 年代，已深入到速度、转角( 位 置) 双重同步的多电机协调控制理论的研究。k u l k a m i 和s r i n i v a s a n ( 1 9 8 5 、1 9 8 6 ) 详细地分析了交叉耦合补偿控制策略 3 1 1 4 1 ，并予1 9 8 9 年引进了最优控制方案【5 】o 而t o m i z u k a 等又把自适应前馈控制策略用到交叉耦合控制器中，以提高瞬间响 应和抗干扰能力嘲。采用交叉耦合控制能有效地解决各电机之间动态性能不匹 配的问题。 没有一个数学系统可用来准确地作为一个实际物理系统的模型，因为总有 不确定性。鲁棒控制理论就是针对这种不确定性提出来的。而多电机高性能协 调控制中就涉及到电机模型的不确定和噪声干扰的不确定，所以鲁棒控制理论 在多电机高性能控制器的设计中有一定的应用价值。 实际上，已经有许多科学工作者把鲁棒控制理论应用到多电机的协调控制 中。d o m i s w a m i 和g u l l i v e r ( 1 9 8 4 ) 采用鲁棒控制设计位置环补偿器，以确保 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文第章绪论 每个电机静态跟踪误差相对于模拟参考输x , b 于某一容许偏差【_ ”。h u 等人在其 设计的鲁棒控制器中，把同步作为额外的限制而不是稳定的要求，结果表明： 在瞬态过程中，同步误差以较快的速度收敛1 8 1 。b a i l e y 和k e l l e y ( 1 9 9 2 ) 把定量 反馈理论( q f m ) 的幅相回路成形技术( l g p s ) 应用到多电机协调控制中，取 得了很好的控制效果1 9 。蔡明琪等人用h o o 控制理论设计控制器以克服数学模 型与实际系统间的误差量，并具有负载变化的强鲁棒性【旧】。由此可以看出，鲁 棒控制理论在多电机协调控制中应用具有一定的可行性。 1 3 现场总线技术的应用 由于近年来多轴运动控制对产业界自动化生产扮演越来越重要的角色，应 用面也越来越广泛，如c n c 工具机、放电加工机、工业机器人及半导体制造设 备等，皆需要一高效能精密运动控制器来实现。而应用分布式即时网络技术来 达成多轴同步运动控制，已成为目前伺服驱动发展的趋势。结合网络技术与伺 服电机的运动控制，发展成即时网络控制系统。 现场总线( f i e l d b u s ) 是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解 决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以 及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，采用基于生产者 客户模式的网络结构。微处理器的出现，特别是微控制器的发展为现场总线的 产生和发展创造了条件。现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现 其内部操作时都采用了微处理器和数字化元件，于是就提出了必须在这些领域 的数字设备之间实现数字通信的要求。采用现场总线的目的就是为了满足这种 要求，为工业领域中的测量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。对 于现场总线，一方面把传统的模拟仪表变成数字仪表，变单一功能为多项功能， 实现现场仪表的互操作和互换信息；另一方面是把d c s ( 分散型控制系统) 变 成f c s ( 现场控制系统) ，在现场建立开放式的现场通信网络，实现全系统的数 字通信网络化。现场总线有以下优点：一对n 的结构，一对传输线，可以对应 多台现场数字仪表，也可采用多种网络拓扑结构，简化了工程设计，降低了工 程费用；现场总线采用数字信号传输； 理器为基础的数字仪表具有多种功能； 实现远程监控；综合多种功能，以微处 另外数字调节阀直接从现场总线接收数 4 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文基于c a n 总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究 字调节信号，在现场总线上就可以构成回路，把原来的d c s 站的功能下放到现 场仪表，实现彻底地分散，提高系统的可靠性1 7 】。 1 4 本课题研究内容 本课题研究内容包括完成作为协调控制的上位机与控制电机的下位机之间 的通信工作，并研究多电机同步控制算法。本论文中对实现这些任务进行了详 细介绍，主要包括以下内容： 1 选择上位机与下位机之间的通信协议，并选择完成通信的芯片。 2 完成上位机与下位机之间的通信工作。 3 研究多电机同步控制算法，并对各个控制算法进行仿真，并对仿真结果 进行分析。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文第二章c a n 总线通信协议 第二章c a n 总线通信协议 2 1 现场总线的产生与发展 现场总线( f i d d b u s ) 是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解 决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以 及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计 算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发 展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流 的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以 及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企 业的信息集成要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行 的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设 备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交 换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、 制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生 产过程现场设备之间以及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自 动化系统的信息孤岛创造了条件。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它 作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为 网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、 报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传 感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向， 它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注a 现场 总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统( d c s ) 、可编程控制 器( p l c ) 在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革，自动化设备的制造 厂家被迫面临产品更新抉代的又一次挑战。传统的模拟仪表将逐步让位于智能 6 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文基于c a n 总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究 化数字仪表，并具备数字通信功能。 近几年，现场总线标准及其技术已成为国际自动控制领域的焦点和热点， 它以多变量、双向、数字通信方式替代单变量、单向、模拟传输方式，以多功 能的现场仪表替代单一功能的现场仪表，以分散的虚拟控制站替代集中式控制 站，以现场控制系统f c s 替代集散控制系统d c s 。变革传统的信号标准，通信 标准和系统标准，变革传统的自动化系统的体系结构、设计方法和安装调试方 法，为自动化控制领域带来了一场意义深远的变革，必将开创自动控制的新纪 元。 目前世界市场主要的几种现场总线有h a r t 、p r o f i b u s 、c a n 、l o n w o r k s 、 f f 等。本课题在比较各种现场总线的性能特点以后，决定采用c a n 总线实现 系统中上位机与下位机之间的通信任务。 2 2 c a n 总线的性能特点 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 即控制器区域网，是一种具有很高保密性、 有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。c a n 总线最初是由德国的 b o s c h 公司为汽车的监测和控制系统而设计的，但由于它本身的特点，其应用 范围目前已不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用 机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展，并且已经被i s o 国 际标准组织制订为国际标准。 c a n 总线与一般的通信总线相比，具有独特的设计思想，良好的功能特性， 极高的可靠性、实时性和灵活性，以及突出的现场抗干扰能力。其特点可概括 如下： 通信方式灵活，为多主方式工作，网络上任意一个节点均可在任意时刻 主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主次，且无需站地址等节点信息； 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先 级的数据最多可在1 3 4us 内得到传输： 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式 发送接收数据，无需专门的“调度”； 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文第二章c a n 总线通信协议 级较低的节点会主动停止数据发送，而优先级较高的节点可不受影响地继续传 输数据，这大大地节省了总线冲突仲裁时间，在网络负载很重的情况下也不会 出现网络瘫痪； c a n 通信格式采用短帧格式，每帧字节数最多为8 个，可满足通常工业 领域中控制命令、工作状态及测量数据的一般要求。同时，8 个字节也不会占 用总线时间过长，从而保证了通信的实时性； 值接通信距离最远可达1 0 k i n ( 速率s k ip s 以下) ；通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ) 网络上的节点数主要取决于总线驱动电路，可达1 1 0 个，报文标识符可 达2 0 3 2 种( c 砧屺0 a ) ，而扩展格式( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限制； c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可 以完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检查、优 先级判别等项工作； c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，并可提供相应的错误 处理功能，保证了数据通信的可靠性； 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤； 通信节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它 节点操作不受影响。 2 3 c a n 总线的协议结构 c a n 总线遵从i s o o s i 标准模型，分为数据链路层和物理层。其结构如图 2 - 1 所示。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文基于c a n 总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究 图2 1c a n 的分层结构和功能 数据链路层： 逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c l i n kc o n t r 0 1 ) 媒体访问控制子层m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 物理层： 物理信令p l s ( p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 物理媒体附属装置p m a ( p h y s i c a l m e d i u ma t t a c h m e n t ) 媒体相关接口m d i ( m e d i u m d e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 逻辑链路控制l l c 子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服 务，确认l l c 子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信 息。在定义目标处理时，存在许多灵活性。媒体访问控制m a c 子层的功能主 要是：传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定， m a c 子层也要确定，为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上开始接 收。m a c 子层特性不存在修改的灵活性。物理层是将节点接至总线的电路实现， 定义信号怎样进行发送，涉及位定时、位编码和同步的描述。m a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 子层接收到的报文和对l l c 子层发送的认可报文。 媒体访问控制予层m a c 的功能模塑如图2 - 2 所示。 中髫科学院电工研究所硕士研究生毕业论文第= 章c a n 总线通信协议 il l c 子层 千 对u 上子朦访问 i l 发送数据封装接收数据拆装 + l 发送媒体访阔管理l 接收媒体访问管理f i 对物理层访阀接口| l 发送数据解码接收数据解码 物理信令 圈2 - 2 媒体访闽控制功能模型 在此模型中将m a c 子层划分为完全独立工作的随个部分，即发送部分和 接收部分。 发送部分功能包括： ( 1 ) 发送数据封装 - 接收l l c 帧和接口控制信息 c r c 循环计算 通过向l l c 帧附加s o f 、r t r 位、保留位、c r c 、a c k 和e o f 构造 m a c 帧 ( 2 ) 发送媒体访闫管理 确认总线空闲后，开始发送过程 m a c 帧串行化 插入填充位( 位填充) 在丢失仲裁的慵况下，退出仲裁并转入接收方式 错误检测( 监控，格式校验) 应答校验 确认；警戥条件 构造超载帧并开始发送 构造错误指示帧并开始发送 输出串行位流至物理层准备发送 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文基于c a n 总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究 接收部分功能包括： ( 1 ) 接收媒体访问管理控制 由物理层接收串行位流 解除串行结构并重新构筑帧结构 检测填充位( 解除位填充) - 错误检测( c r c 、格式校验、填充规则校验) 发送应答 构造错误指示帧并开始发送 确认超载条件 构造超载帧并开始发送 ( 2 ) 接收数据拆装 由接收帧中去除m a c 特定信息 输出l l c 帧和接口控制信息至l l c 子层 2 4 c a n 总线的通信原理 2 4 i c a n 系统拓扑结构 c a n 总线系统在一般应用中采用总线型拓扑结构，如图2 - 3 所示。 图2 3c a n 总线拓扑结构 总线型拓扑结构是多节点网络最简单的形式。在总线拓扑结构中，所有的 节点都直接连接到同一条传输线上，并在传输线两端配上端接器。当i j 司络上的 节点发送信息时，电信号便会从起始点向传输线的两端发送直到被端接器所接 收。当电信号在传输线上通过时，传输线上的每个节点都会检查数据。根据网 络协议，每个节点只调看发送给自己的报文。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 第二章c a n 总线通信协议 2 4 2 c a n 总线的位表达 c a n 总线上的数据可有两种互补的逻辑值：显性( d o m i n a n t ) 和隐性 ( r e c e s s i v e ) 。显性数值表示逻辑“0 ”，而隐性数值表示逻辑“1 ”。当显性位和 隐性位同时发送时，总线数值为显性。 2 4 3 c a n 的报文格式 c a n 总线以报文为单位进行信息传送。报文中包含标识符i d ，它也标志 了报文的优先级。c a n 总线上各个节点都可以主动发送报文，如果同时有两个 或多个节点开始发送报文，采用标识符i d 进行仲裁，具有高优先级的报文赢得 总线使用权，而其它节点自动停止发送。在总线再次空闲后，这些节点将自动 重新发送原报文。c a n 系统中，一帧c a n 报文不使用有关系统结构的任何信 息，如节点地址等。报文中的标识符i d 并不指出报文的目的节点地址，但网络 中的所有节点都可由标识符i d 来自动决定是否接收该报文。每个节点都有接收 码寄存器和屏蔽寄存器，接收到的报文的标识符i d 只有与该节点的接收码寄存 器内容经屏蔽寄存器屏蔽后的数据相同，该节点才开始正式接收报文，否则它 将不理睬标识符i d 后面的报文。这使c a n 系统非常灵活，可任意扩展或改变 组成。 报文传送由4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接 收器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧：出错 帧由检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧 的附加延迟。 数据帧和远程帧借助帧间空间与当前帧分开。 1 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，即帧起始、伸裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场和帧结束。数据场长度可为0 。在c a n 2 0 b 中，规定了两种不同的 帧格式，标准格式和扩展格式它们的主要区别在于仲裁场格式不同，标准帧 的仲裁场由1 1 位标识符和远程发送请求位r t r 组成。扩展帧的仲裁场由2 9 位 标识符和替代远程请求s r r 位、标志位和远程发送请求位r t r 组成。扩展格 式的数据帧的前1 l 位标识符的最后两位为s r r 和i d e ，它们均为隐性位，这 ! 堕登学堕电工研究所硕士研究生毕业论文基于c a n 总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究 使它们的优先级低于具有相同1 1 位标识符的标准格式的数据帧，后面为新增的 1 8 位标识符。标准格式和扩展格式的数据帧结构如图2 - 4 所示。 标准数据帧 扩展数据帧 帧 校应帧 l 篱 仲裁场控制场数据场 *e瑁 场场柬 ricae l 1 l 位标识符td r d l c 8 字节数据 rc o o reckf 帧校应帧 日绢 菇 仲裁场控制场数据场 场场柬 caesir rr d l c8 字节数据rc 0 i 1 l 位标识符 rd 1 8 位标识符t l0 re rckf 图2 4c a n 标准格式和扩展格式数据帧 ( 1 ) 帧起始( s o f ) 标志数据帧和远程帧的起始，它仅由一个显性位构成。 只有在总线处于空闲状态时，才允许节点开始发送。所有节点都必须同步于首 先开始发送的那个节点的帧起始前沿。 ( 2 ) 仲裁场由标识符和远程发送请求位( r t r ) 组成。 对于c a n 2 0 a 标准，标识符的长度为1 l 位，这些位以从高位i d 1 0 到低 位i d 0 的顺序发送，其中最高7 位( i d 1 0 i d 4 ) 不能全为隐性位。标识符决 定了报文的优先级，如定义显性位为“0 ”，隐性位为“1 ”，则标识符数值越小， 优先级越高。标识符并不限定菜一节点接收信息，因此c a n 网络支持点对点， 一点对多点及广播等几种通信方式。 远程发送请求位( r t r ) 在数据帧中必须是显性位，而在远程帧中必须为 隐性位。 ( 3 ) 控制场由6 位组成，包括4 位数据长度码和2 个保留位r 1 、r 0 。2 个 保留位必须发送显性位，但接收器认可显性位和隐性位的全部组合。4 位数据 长度码d l c ，指示数据场数据的长度，允许的数据长度为。一8 。 ( 4 ) 数据场由数据帧中被发送的数据组成，它包括0 8 个字节，每个字 节8 位。首先发送的是最高有效位。 ( 5 ) 循环冗余校验位c r c 场由1 5 位c r c 序列及c r c 界定符组成。c r c 范围包括帧起始、仲裁场、控制场及数据场。c r c 序列的最高有效位被首先发 送或接收。c r c 校验对于少于1 2 7 位的帧是最佳的。c r c 边界符为隐性位。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文第二章c a n 总线通信协议 ( 6 ) 应答场( a c k ) 由应答间隙和应答界定符组成。发送器送出的两位均 为隐性位，所有接收到正确c r c 序列的节点将在发送节点的应答间隙将发送方 的隐性位改写为显性位。因此，发送节点将一直监视总线信号以确认网络中至 少有一个节点正确地接收到信息。 ( 7 ) 帧结束。每个数据帧和远程帧均由一串7 个隐性位的帧结束标志序列 界定。这样，接收节点可以正确地检测到一个帧的结束。 2 远程帧 c a n 网络上的一个接收数据的节点可以通过向网络上发送远程帧来要求 源节点发送数据，用标识符寻址数据发送源节点，并置相应帧的r t r 位为隐性 位，从而启动数据的传输。远程帧和数据帧有如下不同：r t r 位为隐性位，数 据长度码d l c 的数据值是独立的，它可以是o 一8 中的任何数值，这一数值为 对应数据帧的d l c ，不存在数据场。远程帧同样有标准和扩展两种格式。 3 出错帧 出错帧由两部分组成：错误标志和错误界定符。 ( 1 ) 错误标志 错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志( a c t i v ee r r o rf l a g ) ，一种是 认可错误标志( p a s s i v ee r r o l f l a g ) ，活动错误标志由6 个连续的显性位组成，而 认可错误标志由6 个连续的隐性位组成，除非被来自其它节点的显性位冲掉重 写。 一个检测到出错状态的“错误激活”节点通过发送一个活动错误标志进行 标注。这一出错标注形式违背了适用于由帧起始至c r c 界定符所有场的填充规 则，或者破坏了应答场或帧结束的固定形式。这样，其它节点将检测到出错状 态并发出错误标志。因此，实际上总线上监测到的显性位序列是由各个“错误 激活”节点发送的不同错误标志叠加而成的。此序列的总长度在最小值6 位到 最大值1 2 位之间变化。 一个检测到出错状态的“错误认可”节点通过发送一个错误认可标志进行 标注。该错误认可节点自认可错误标志为起点等待6 个相同极性的连续位。 当检测到这6 个相同的连续位后，认可错误标志结束。 ( 2 ) 错误界定符 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文基于c a n 总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究 错误界定符由8 个隐性位组成。当错误标志发送后，每个节点送出隐性位， 并监视总线，直到检测到一位隐性位，此时表明所有的c a n 节点已经完成了错 误标志的发送。此后开始发送剩余的7 个隐性位。 在数据帧或远程帧的发送过程中，出现错误，则当前的信息作废，并重新 启动数据发送。 4 超载帧 超载帧包括两部分：超载标志及超载界定符。超载标志与活动错误标志有 相同的形式，超载界定符与错误界定符有相同的形式。超载标志由6 个显性位 组成，破坏了间歇场的固定形式，因而，所有其它节点都将检测到一个超载条 件，并开始发送一个超载标志。 超载界定符由8 个隐性位组成，发送超载标志后，每个节点均监视总线， 直至检测到一位隐性位，此时，每个节点均完成送出其超载标志，并且所有节 点开始同时发送剩余的7 个隐性位，以完成8 位长度的超载界定符。 当接收方在接收到一帧报文之前需要过多的时间处理当前的数据时，或在 帧间空间检测到显性位时，将导致超载帧的发送。必须在帧间空间的一个周期 或在帧间空间中检测到显性位一个周期后，方可启动超载帧的发送。 5 帧间空间 数据帧及远程帧与其前面一帧信息( 数据帧、远程帧、出错帧或超载帧) 之间均以帧间空间分隔，而超载帧和出错帧前面不存在帧间空间，并且多个超 载帧前面也不用帧间空间分隔。帧问空间由间歇场和总线空闲场组成a 间歇场由3 个隐性位组成，间歇期间，不允许节点启动发送数据帧或远程 帧。间歇场是必要的，它可以使c a n 控制器在下次信息传送前有时间进行内部 处理操作。 总线空闲周期可为任意长度。此时，总线是开放的，因此任何需要发送的 节点均可访问总线。在其它报文发送期间，暂时被挂起的待发送报文紧随间歇 场从第一位开始发送。如果在总线空闲期间检测到显性位，将被理解为帧起始。 2 4 4 仲裁 当许多节点一起开始发送时，此时只有发送的帧具有最高优先级的节点具 有总线使用权。这种解决总线访问冲突的机理是基于总线的仲裁。仲裁期间， 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文第二章c a n 总线通信协议 每个发送器将发送位电平与总线上检测到的电平进行比较，若相等，则节点可 以继续发送。当送出一个隐性电平，而检测到的是显性电平时，表明节点丢失 仲裁，应该停止发送。当送一个显性电平，而检测到的是隐性电平时，则表明 节点检测到位错误。 基于竞争的仲裁依靠标识符和紧随其后的r t r 位完成。具有不同标识符的 两帧数据，具有较低二进制数值的标识符具有较高的优先级。若具有相同标识 符的数据帧和远程帧同时发送，则数据帧比远程帧具有较高的优先级，这个通 过r t r 位的数值比较得到。 除了当总线释放时，可以启动发送这一原则外，还存在解决冲突的下列原 则： ( 1 ) 在一个系统内，每条信息必须标以唯一的标识符； ( 2 ) 具有给定标识符和非零d l c 的数据帧仅可由一个节点启动； ( 3 ) 远程帧仅可以以系统内确定的d l c 发送，该数据长度码为对应数据 帧的d l c 。具有相同标识符和不同d l c 的远程帧的同时发送将导致系统不能 解决的冲突。 2 4 5 错误类型和界定 1 c a n 总线的错误类型 在c a n 总线中存在5 种错误类型。 ( 1 ) 位错误 向总线送出一位的节点同时也在监视总线，当检测到总线位数值与送出的 位数值不同时，则在该位时刻检测到一个位错误。例外的情况是，在仲裁场的 填充位流期间或应答间隙送出稳性位而检测到最性位时，不视为位错误。送出 认可错误标志的发送器，检测到显性位时，也不视为位错误。 ( 2 ) 填充错误 在使用位填充方法进行编码的报文中，出现第6 个连续相同的位电平时， 将检测出一个位填充错误。 ( 3 ) c r c 错误 c r c 序列是由发送器c r c 计算的结果组成的。接收器以与发送器相同的 方法计算c r c 。如果计算结果与接收到的c r c 序列不相同，则检测出一个c r c 1 6 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文基于c a n 总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究 错误。 ( 4 ) 形式错误 当固定格式的位场中出现一个或多个非法位时，则检测出一个形式错误。 例外的情况是，接收器在帧结束的最后检测到显性位时，不视为形式错误。 ( 5 ) 应答错误 在应答间隙，发送器未检测到显性位时，则由它检测出一个应答错误。 检测到出错条件的节点通过发送错误标志进行标定。当任何节点检测出位 错误、填充错误、形式错误或应答错误时，由该节点在下一位开始发送错误标 “堕。 当检测到c r c 错误时，出错标志在应答界定符后面那位开始发送，除非 其它出错条件的错误标志已经开始发送。 2 c a n 总线的错误界定规则 c a n 网络中的任何一个节点，根据其错误计数器的数值，可能处于下列三 种故障状态之一。 ( 1 ) “错误激活”( e r r o r a c t i v e ) 节点：一个“错误激活”节点可以正常参 与总线通信，并在检测到错误时，发出一个活动错误标志。 ( 2 ) “错误认可”( e l l o rp a s s i v e ) 节点：一个“错误认可”节点可以参与 总线通信，并在检测到错误时，发送一个认可错误标志。 ( 3 ) “总线脱离”节点：在“总线脱离”状态下，节点不发送任何帧。只 有应用户请求，节点才能解脱“总线脱离”状态。 为进行错误界定，在总线上的每个单元中都设置有两种计数器：发送出错 计数器和接收出错计数器。当一帧信息正常发送或接收时，计数器减计数，出 错时增计数。若节点的发送错误计数器或接收错误计数器的计数值小于或等于 1 2 7 时，“错误认可”节点将再次变为“错误激活”节点。若节点的发送错误计 数器的计数值大于2 5 5 ，则监控器要求物理层置节点为“总线脱离”状态。“总 线脱离”状态不允许对总线有任何影响。它不应发送任何帧。此类节点能否由 总线接收帧取决于具体状况。处于“总线脱离”状态的节点，在检测到总线上 出现1 2 8 次1 1 个连续的隐性位时，变成为两个错误计数器均为0 的“错误激活” 节点。节点状态转换如图2 5 所示。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文第二章c a n 总线通信协议 初始化( 正常模式请求) 2 5 c a n 总线的电气特性 图2 5 节点状态转换图 c a n 总线的电气特性如表2 - 1 所示。 表2 - lc a n 总线的电气特性 参数最小值典型值最大值单位 电源电压4 5 05 0 0 5 5 0v 电压电流 4 0 06 0 01 n a 工作温度 o2 57 5度 存储i 恩度 一4 02 58 0度 工作温度 09 0 2 6c a n 总线主妥产品介绍 c a n 总线芯片主要产品如表2 - 2 所示。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文基于c a n 总线伺服系统的多电机同步控制算法的研究 表2 - 2c a n 总线器件产品 制造商产品型号功能特点 8 2 5 6 2c a n 通信控制器 i n t e l 8 2 5 7 2 c a n 通信控制器 8 2 c 2 0 0c a n 通信控制器 8 x c 5 9 28 0 5 1 微处理器+ c a n 通信控制器a d + p w m 8 x c e 5 9 8 8 0 5 1 微处理器+ c a n 通信控制器a d + p w m 并具有 p h i l i p s电磁兼容性 带有数字模拟输入输出功能的c a n 器件 8 2 c 1 5 0 可用于传感器或执行机构 8 2 c 2 5 0c a n 总线收发器，可用于c a n 器件与物理总线间的连挣 6 8 h c 0 5 x 46 8 h c 0 5 微处理器+ c a n 通信控制器 m o t o r o l a 6 8 h c 0 5 x 1 66 8 h c 0 5 微处理器+ c a n 通信控制器 8 1 c 9 0 9 1c a n 通信控制器 s i e m e n s c 1 6 7 c微处理器+ c a n 通信控制器 n e c 7 2 0 0 5 c a n 通信控制器 s i l l o n is 1 9 2 0 0c n 总线收发器 1 9 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 第三章通信工作的实现 3 1 系统缩构 第三章通信工作的实现 本课题所研究的系统采用个人p c 机作为上位机对各个电机控制芯片进行 协调控制，完成高精度豹同步任务。采用p c 机作为上位机是因为其具有如下 优点：具有标准化的操作者人机接口，包括彩色图形显示器、窗口软件、键盘、 鼠标、打印机及软硬盘驱动器等，方便客户输入指令进行操作控制，以及在线 监控各个电机的运行状况；具有很多成熟的应用软件可供选择，易于编写应用 程序，并能提供强大的仿真手段对系统各项静态和动态性能进行仿真；支持数 字通讯技术和计算机网络以及多媒体技术，可以方便地与以太网相连，使系统 可并入整个工业控制局域网中，并且支持远距离监控伺服系统运行状况：可以 应用模糊逻辑、专家系统和人工神经网络等智能控制方法；计算机