基于CAN总线的三轴步进运动控制平台设计*

大连大学信息工程学院 葛家安 胡玲艳 王维壮 毛银杰

工业4.0和中国制造2025已成为当今热点主题，自动化生产产业的迅速发展与崛起极大地提高了生产效率，PLC与运动装置的广泛使用，将人从繁重的劳动中解放出来。同时伴随着现场总线技术的发展，传统的信号传输方式逐渐被现场总线数字技术所代替，使现场设备级组网更加快捷、高效。CAN总线为运动控制系统各节点之间实现实时、可靠的数据通信提供了有力的技术支持。本文基于CAN总线自主设计的多轴运动控制系统，利用多主方式、非破坏性仲裁技术、CRC校验及实时错误校验等技术，完成现代多轴运动控制系统的总线集成，通过CAN总线与PLC可控制多个步进电机同步、精确运动，性价比高，对实际工业定位系统具有较强现实意义。

近年来，国内开始引进多轴运动控制系统，尽管一些研究数控设备的厂商开始研制运动控制系统，但研制出来的系统仍不属于独立的精确运动控制产品，我国到21世纪国内才开始多轴运动控制系统的研发和推广，并逐渐走向成熟和规模化。当前，运动控制技术日益受到世界各国的高度关注，德国的西门子、日本的三菱、中国台湾的台达等公司也研制出来了各式各样的运动控制产品，成为了机电一体化的关键技术。

1 系统概况

本文利用CAN总线自主设计多轴运动控制系统，选用三轴步进驱动模块及电机，基于CAN总线技术，采用西门子S7-1200PLC对步进三轴电机的精确控制进行设计，通过西门子TIA博途编程软件编写程序，在参数设置方面，系统由昆仑通泰MCGS触摸屏实现组态监控与人机交互，针对不同的功能动作，设置不同的参数，并显示监控的参数状态。针对系统控制，有控制面板实体按键和触摸屏组态按键两种不同的方式实现对PLC控制信号的输入进而实现对三轴步进电机运动的启动，停止与复位。整个系统使用CANopen总线进行网络的构建,搭建起PLC与运动部分的通信通道。通过TIA博途编程软件进行编程并下载到设备，通过上位机对参数读取与写入，实现对系统进行控制，以达到精确点位控制的目的。

1.1 系统控制流程

系统利用西门子PLC的各功能模块实现综合控制，结合上位机、人机界面实现对整个系统实施系统化监控管理。PLC作为系统的控制器，结合各功能模块实现对步进电机驱动器的直接控制，间接实现对步进电机的控制。系统通过光电传感器以及控制按钮产生的信号作为PLC输入信号，经PLC输出信号至步进电机驱动器，在由驱动器产生信号驱动步进电机。系统总控制流程图如图1所示。

图1 系统总控制流程Fig.1 Overall control flow of the system

传统的运动装置如果要用PLC对一个步进驱动器进行控制，除必要的电源线和电机驱动线之外，最少还需要接多根线才能使一台步进驱动器正常工作。并且，要想对整个系统的运行状态进行监控，则每个步进驱动器还要额外再接多根线，可想而知，会造成工作量的加大，增加工作时间和空间上的资源占用，造成资源的浪费。

若在传统的运动装置上采用CAN总线的技术进行控制，在装置上连接的几十根线就可以换为1根CAN通讯线，通过CAN总线方式连接进行控制，这种控制方式不光能对系统进行控制，而且还能监控系统的实时状态，大大减少了线束的限制、时间的浪费以及空间上的节约，避免了资源的浪费。

1.2 步进电路设计

根据步进的电气要求，给步进驱动器供24V的电源使驱动器正常工作。给驱动器的P+端口和R+端口同时供给5V电源，使驱动器能够识别脉冲来控制步进电机工作。给驱动器的P-连接PLC的Y0输出，来接受脉冲数指令；给驱动器的R-连接PLC的Y1，来接受脉冲方向指令，P-与R-共同作用来控制步进电机的正反转以及运行时的速度和加速度。

1.3 PLC电路设计

根据PLC的电气要求，要给PLC供24V电源使PLC正常工作；将CAN通讯口与驱动器连接，进行数据操作。将Y0与Y1连接到步进驱动器上，给步进驱动器提供脉冲。最后将输入点X接到开关上，来控制电机的正反转。

1.4 CAN总线的优势与利用

CAN总线被细分为CAN总线数据对象层（The Object Layer）、CAN总线数据传输层（The Transfer Layer）和CAN总线物理层（The Physical Layer）三种结构层次，具有如下优点：

(1)CAN总线的工作方式为多个主站共同工作的方式，即不分主站和从站，通信方式比较灵活。

(2)CAN总线节点数据信息根据标识符的大小被分成不同的优先级，可满足系统对数据的实时性的要求。

(3)采用仲裁技术，当总线中同时存在有多个数据信息时，根据标识符所定义的数据信息的优先级的高低，从优先级高到低次序依次发送数据信息，使总线避免出现因数据信息超载而出现的网络瘫痪的情况且使CAN总线具有非破坏性仲裁的功能。

(4)CAN总线的报文可以实现一对一发送、一对多发送、全局广播发送方式。

(5)CAN总线的通信速率最高可达1Mbit/s，此时通信距离为40m。

(6)CAN总线的节点数取决于驱动电路，在总线中目前最高可以达到接110个节点，过远距离的传输可以使用CAN总线驱动器进行驱动。

(7)CAN总线采用短数据帧结构，数据信息传输的时间短，抗干扰能力强，检错效果好，能很好地保障总线传输的数据的准确性。

(8)在CAN总线出现严重错误报警时，总线还可自动关闭输出功能。

本文充分利用CAN总线的技术优势，实现不同驱动设备之间的总线通信，实时性、可靠性强，节省设备I/O点的资源。CAN总线中具有的CRC校验场最大程度的保证了传输的数据不会出现错误。CRC校验场场包括CRC序列、CRC界定符。CRC序列由循环冗余码求得，其中，CRC界定符只包含了一个隐性的Bit，发送、接收数据场的最后一位，CRC－RG包含CRC序列。

2 创新性设计

步进电机是靠接收脉冲电流来实现速度、位置和方向的控制，脉冲的多少决定步进电机的位置，脉冲的速率决定电机的转速，脉冲的方向决定电机的转向。现在大多数步进电机的控制方式就是用PLC发脉冲给驱动器，驱动器驱动电机运转。脉冲型方式已经存在了几十年，对于一些应用要求比较高的场合，如在运动过程中需要力矩模式，脉冲型是无法对电机电流做到控制从而调整力矩，而总线型就可以做到。脉冲型已经不能满足需求，需要总线型来控制。

系统需要使用多个步进电机的，如果使用脉冲型一是不好控制，一个PLC最多也就可以控制六七个轴，电机一多就需要多个上位机，对空间体积要求比较大，而大多医疗器械体积就比较小巧紧凑，二是电机多了脉冲型布线很难，线路一多就存在信号干扰问题导致设备不稳定。如果使用总线型就只需要两根信号线和电源线把所有电机串联起来，设计和安装都非常方便，也不会存在大量布线的信号干扰问题。

总线型方式相对于脉冲型不仅仅是体积上面小巧很多，控制程序的编写也会相对于PLC梯形程序简单许多，而且还能做到电机电流、电压、温度、堵转等的时时反馈，电流、细分的时时改变，s形加减速、模拟量、同步指令、离线控制等的简单控制。总线型对于脉冲型来说有很多新的功能特点，总线型是未来步进电机运动控制的发展方向和趋势。系统设计硬件如图2所示。

图2 设计实物图Fig.2 Physical design

3 结语

本文基于CAN总线技术采用西门子PLC控制步进电机实现运动平台进行设计，考虑实现多种不同功能，进行选材设计。研究了在多轴运动控制系统中应用CAN总线技术是具有可行性的系统。对比于传统的多轴运动控制系统，大大节约空间和时间，减少了资源的浪费，同时增大了系统的可扩展性。使用CAN总线的系统对比传统的系统，也增加了实时性、可靠性及控制方式的灵活多样性。本设计可节省系统I/O点的资源，不再局限于控制器的带负载量，进而系统有更强的扩展性，充分适应现代化系统的多样性与需求，也为后续对使用CAN总线的控制系统的研究提供了一定的研究参考。