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        CAN總線在五軸嵌入式數控磨削系統中的應用

        作者: 時間:2016-12-20 來源:網絡 收藏

        0 引言

          多軸數控系統在加工復雜型面時,需要各個軸之間協同工作,實時性、可靠性要求較高。CAN總線可提供高達1Mbit/s的數據傳輸速率,這使實時控制變得非常容易。另外,硬件的錯誤檢測特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。它是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡,這些特點決定了CAN總線技術在多軸數控系統中有很好的應用前景。本文利用CAN總線技術為五軸數控系統提供了一個實時可靠的信息交互網絡,解決了傳統總線插板I/O模塊多,干擾嚴重、系統軟件復雜、硬件兼容性差等問題,提高了信號傳輸實時性和可靠性,便于安裝、調試和維護,經濟效益明顯,是自動化領域發展的一個重要方向。

        1 基于CAN總線數控系統的結構

          如圖1所示,本控制系統在結構分布上采用的是完全分布式控制,數控系統的核心是一個基于ARM9核的主控芯片$3C2410。s3C2410負責根據加工圖形進行數據處理,計算刀具半徑補償量,設置進給速度,執行輔助功能代碼。進行插補運算,把插補后的數據通過總線送到伺服驅動器,并接收從伺服控制器反饋回來的轉速;脈沖信息,實現閉環控制以及接收傳感器傳來的電壓、電流、位置等參數,顯示并記錄。其他每個ARM9控制芯片$3C2410僅僅負責一軸的伺服進給控制,另外主控機還要根據PLC傳來的信號來控制伺服電機,調整設置。PLC模塊主要負責接收面板的控制信號、設置信號以及極限報警信號,這些數據通過CAN總線傳到上位機后,轉化為伺服電機的控制信號,再發送到總線,控制伺服電機和變頻器以及更改電機設置。主控單元、電機驅動單元均以S3C2410為核心構成并通過CAN總線相連。其中,主控單元通過自帶的鍵盤發送電機運行參數和控制命令,LCD顯示電機運行狀態。這樣的分布式控制方式能夠實現高精度的伺服進給控制,每個節點不會相互影響,容易擴展,故障率低。

        基于CAN總線的數控系統的結構圖
        圖1基于CAN總線的數控系統的結構圖

        2 CAN總線通信系統硬件設計

          電機控制的各個節點問的通信是通過CAN總線來完成。一般有2種CAN總線器件可供選擇:一種是集成了CAN控制器的微控制器,如Philips公司的P8XC592,Intel的87C196CA,TI公司的TMS320LF2407(DSP)等,這類集成器件電路圖緊湊,硬件結構簡單。另一種是獨立的CAN控制器,如Philips的82C200,SJAl000,Intel的82526,82527,Microchip的MCP2510、MCP2515。這類獨立的控制器可使設計靈活,從眾多類型MCU中選擇最合適的方案。文中所涉及的系統選用的是獨立的CAN控制器MCP2515和CAN收發器MCP2551。MCP2515完全支持具有很多新特性的CAN2.0B協議,能夠發送和接收標準數據幀以及擴展數據幀以及遠程幀,自帶的2個驗收屏蔽寄存器和6個驗收濾波寄存器可以過濾掉不想要的報文,可有效減少主單片機(MCU)的開銷,并具有接收過濾和信息管理的功能。MCP2515支持0,0和1,1的SPI模式,通過其SPI引腳同MCU進行數據傳輸,最高數據傳輸速率可達1Mbps。另外,MCP2515具有靈活的中斷管理功能,可以很好地用在數控系統控制中。CAN收發器MCP2551是一個可容錯的高速CAN器件,對總線提供差動發送能力,對CAN控制器提供差動接收能力。它完全符合ISO一11898標準,它的工作速率高達1 Mbps。MCP2515和MCP2551接口部分的電路圖如圖2所示。CAN控制器MCP2515的串行數據輸出線(TX)和串行數據輸入線(RX)分別通過高速光耦6N137和5V電源隔離模塊HDNl—5S5與收發器相連,MCP2551通過有差動發送和接收功能的2個總線端CANH和CANL接到總線電纜。8腳是輸入Rs,用于模式控制,不同連接方式可以實現3種不同的工作方式:高速、斜率控制和待機。本系統采用1.6kQ的電阻使之工作于斜率模式,有效降低射頻干擾。MCP2551的額定電源電壓是5 V,總線兩端接120 Q的電阻,用以提高整個系統通信的可靠性和抗干擾能力。在設計接口電路時,首先要根據微處理器選擇MCP2515的接口模式,MCP2515的片選地址應與其它的外部存儲器無沖突,注意MCP2515的復位電路是低電平有效。另外,微處理器對MCP2515的控制訪問是以外部存儲器的方式來訪問的內部寄存器。

        CAN接口部分電路原理圖
        圖2 CAN接口部分電路原理圖

        3 CAN總線通信的程序設計

          CAN總線通信程序設計主要包括CAN總線初始化、報文的發送程序設計和接收程序設計。MCP25 15只有在配置模式下才能初始化,在初始上電或復位時器件自動進入配置模式,也可以將CANTRL寄存器的REQQP設置為‘100’使器件進入配置模式。在配置模式對位定時配置(CNFl,CNF2,CNF3)、發送請求寄存器TXRTSCTRL、接收濾波寄存器、接收屏蔽寄存器作相應的修改即可。數據的發送由MCP2515自動完成,用戶只須將被發送的數據送到MCP2515的發送緩存器,然后將命令寄存器的“發送請求”標志置位,啟動發送命令即可。發送過程可由MCP2515的中斷請求或控制段的輪詢狀態標志控制,采用,中斷方式,其數據發送程序流程圖如圖3。數據的接收自動完成,接收程序只須從接收緩存器中讀取接收的數據,再進行相應的處理即可,接收程序也采用中斷方式,其數據接收程序流程圖如圖4。


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