CN108227527B - 一种基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***及方法，其中，该***包括上位机、总体控制模块、行走控制模块、升降控制模块和传感器采集模块；其中，总体控制模块获取运动控制信息和运行状态信息，根据状态信息处理结果对行走控制模块和升降控制模块发送相应的运动指令信息；行走控制模块将运动指令信息解析成若干个电机的控制信息；升降控制模块根据模拟的虚拟轴对电机运动进行前馈PID闭环控制；传感器采集模块定时将采集到的传感器上传给总体控制模块。本发明用于解决现有脉冲控制的布线麻烦、不能实现闭环、可靠性不高、协同控制效果不好以及不同控制器之间通信方式混乱、布线繁琐以及不规范的问题。
Description
技术领域
本发明属于软件工程、电子工程领域，尤其涉及一种基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***及方法。
背景技术
随着工业自动化的急速发展，工业产品的集成度在随着加大，同时对工业产品质量的可靠性要求也越来越高。根据初步了解，若采用目前比较成熟的脉冲控制或模拟量控制，不仅仅是在硬件上有很大的不便，更是在控制上由于不能实时的采集当前轴状态信息达不到闭环控制，产品的可靠性也跟不上需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***及方法，用于解决现有脉冲控制的布线麻烦、不能实现闭环、可靠性不高、协同控制效果不好以及不同控制器之间通信方式混乱、布线繁琐以及不规范的问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***，包括：上位机、总体控制模块、行走控制模块、升降控制模块和传感器采集模块；其中，总体控制模块获取运动控制信息和运行状态信息，并根据运行状态信息得到状态信息处理结果，总体控制模块接收到来自上位机的运动指令信息后，对运动指令按照设定的通信协议进行协议解析，根据状态信息处理结果对行走控制模块和升降控制模块发送相应的运动指令信息；行走控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，行走控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据控制算法将运动指令信息解析成若干个电机的控制信息；升降控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，升降控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据制定的通信协议解析运动指令信息，根据模拟的虚拟轴对电机运动进行前馈PID闭环控制；传感器采集模块通过低速CAN总线将各个传感器串联起来，并周期性采集传感器信息，并定时将采集到的传感器上传给总体控制模块。
上述基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***中，行走控制模块对电机的控制信息进行结算，通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、运动信息进行查询。
上述基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***中，升降控制模块通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、当前位置速度信息进行查询。
上述基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***中，所述运动指令信息为CAN帧运动指令信息。
上述基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***中，行走控制模块采用插补算法对电机的控制信息进行结算。
上述基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***中，所述运动控制信息包括当前的运动速度和角度、升降高度。
上述基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***中，所述运行状态信息包括行走控制模块的状态信息、升降控制模块的状态信息和传感器信息。
一种基于CANopen总线通讯的多轴协同控制方法，所述方法包括以下步骤：通过总体控制模块获取运动控制信息和运行状态信息，并根据运行状态信息得到状态信息处理结果，总体控制模块接收到来自上位机的运动指令信息后，对运动指令按照设定的通信协议进行协议解析，根据状态信息处理结果对行走控制模块和升降控制模块发送相应的运动指令信息；通过行走控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，行走控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据控制算法将运动指令信息解析成若干个电机的控制信息；通过升降控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，升降控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据制定的通信协议解析运动指令信息，根据模拟的虚拟轴对电机运动进行前馈PID闭环控制；通过传感器采集模块通过低速CAN总线将各个传感器串联起来，并周期性采集传感器信息，并定时将采集到的传感器上传给总体控制模块。
上述基于CANopen总线通讯的多轴协同控制方法中，还包括如下步骤：通过行走控制模块对电机的控制信息进行结算，通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、运动信息进行查询。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明针对现有的脉冲控制缺陷以及不同控制器之间的通信方式混乱的问题，采用CAN总线网络通信方式，根据功能要求确定各个模块之间所需的通信内容，完成通信协议的制定，实现各个模块之间的串行通信；采用CAN总线网络控制方式实现了布线简单可靠，对电机状态信息的采集与监控能实现闭环控制，有助于提高控制***的安全性和可靠性。采用该发明方法，解决了整车脉冲控制方式布线复杂，通信协议混乱，通信信息控制麻烦以及整车的安全性可靠性不高的难题。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***的框图；
图2是本发明实施例提供的行走控制模块的框图；
图3是本发明实施例提供的升降控制模块的框图；
图4是本发明实施例提供的传感器采集模块的框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
装置实施例
CAN总线相对于脉冲或模拟量具有可靠性高、实时性好等优点，已被广泛应用于工业自动化、机械自动化等多领域中。CAN总线可接入的节点最多可达到110个，可以将许多配备有CAN总线接口的设备并入到一个总线网络中，总线网络中的任一节点均可在任意时间向总线发送报文，节点没有主从之分，使之具有多主多从的工作方式且通信方式灵活。
CAN总线通信方式具有传输快、传输距离远、传输形式多、自带CRC校验等特点。通过对信息的优先级检测，可以实现有优先级冲突时，高优先级不受影响正常传输；通过短帧结构传输且采用CRC校验，传输的可靠性好且检错效率高；采用双绞线、同轴电缆或者光纤为通信介质，可以大幅度减少布线麻烦。本专利使基于LPC1788的CAN总线实现对8轴的协同控制，实现最优轨迹控制。
图1是本发明实施例提供的基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***的框图。如图1所示，该基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***包括：上位机、总体控制模块、行走控制模块、升降控制模块和传感器采集模块；其中，
总体控制模块获取运动控制信息和运行状态信息，并根据运行状态信息得到状态信息处理结果，总体控制模块接收到来自上位机的运动指令信息后，对运动指令按照设定的通信协议进行协议解析，根据状态信息处理结果对行走控制模块和升降控制模块发送相应的运动指令信息；
行走控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，行走控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据控制算法将运动指令信息解析成若干个电机的控制信息；
升降控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，升降控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据制定的通信协议解析运动指令信息，根据模拟的虚拟轴对电机运动进行前馈PID闭环控制；
传感器采集模块通过低速CAN总线将各个传感器串联起来，并周期性采集传感器信息，并定时将采集到的传感器上传给总体控制模块。
模块之间采用高速CAN总线进行通讯，将总体控制模块定义为主站，其余三个模块定义为从站，按照定义的各模块的优先级(ID(标识符))进行仲裁，总是优先级最高的报文最优先得到处理，其余报文等候总线空闲再继续发送，保证***对不同消息的实时性要求且能提高通信的实时性。
如图1所示，总体控制模块负责获取运动控制信息和运行状态信息，如当前的运动速度和角度、升降高度以及当前各个模块的状态的信息。总体控制模块定时的对当前各个模块的状态信息进行分析判断，对不同的状态进行相应的处理。总体控制模块接收到来自上位机的运动指令信息后，对运动指令按照设定的通信协议进行协议解析，根据状态信息处理结果对行走控制模块和升降控制模块发送相应的运动指令。
如图2所示，行走控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块。行走控制模块在接收来自总体控制模块的CAN帧运动指令信息，根据控制算法将运动指令信息解析成四个电机的控制信息。行走控制模块采用插补算法对电机的控制信息进行结算，通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、运动信息进行查询。
如图3所示，升降控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块。升降控制模块通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、当前位置速度信息进行查询。升降控制模块在接收来自总体控制模块的CAN帧运动指令信息，根据制定的通信协议解析运动指令信息，根据模拟的虚拟轴对四个电机运动进行前馈PID闭环控制。
如图4所示，传感器采集模块负责对各传感器进行采集，其中包括4个支腿测距传感器、2个电压测量仪表以及一个倾角传感器。7个传感器选用的全是CAN总线接口，传感器采集模块通过低速CAN总线将各个传感器串联起来，并周期性采集传感器信息，并定时将采集到的传感器上传给总体控制模块。
具体的，按照标准连接各个模块：按照CAN总线连线标准将上位机、总体控制模块、行走控制模块、升降控制模块、传感器采集模块进行连线，并在CAN总线的两端的CANH与CANL之间并联上130欧姆的电阻。
按照标准配置CAN地址：在高速CAN总线网络中，上位机地址配置为001，总体控制模块配置为002，行走控制模块配置为003、升降控制模块配置为004、传感器采集模块配置为005。在行走控制模块中，将行走控制器作为行走控制模块CANOpen通讯主站配置为006，007～00A依次为行走电机驱动器1～4的从站地址；在升降控制模块，将升降控制器作为升降控制模块CANOpen通讯主站的地址为00B，00C～00F依次为升降电机驱动器5～8的从站地址；在传感器采集模块中，将传感器采集控制器作为传感器采集模块CANOpen通讯主站的地址为010，011～014依次为测距传感器1～4的从站地址,015～016为电压测量仪表1～2的从站地址，017为倾角传感器的从站地址。
上位机按照设定的通讯协议，将行走和升降运动控制信息发送给总体控制模块，并接收总体控制器发送过来的整车状态。
总体控制器接收来自行走控制模块、升降控制模块以及传感器采集模块的状态信息、运动信息以及传感器的状态和数据，并对其进行判断和处理。总体控制器对接收到的运动控制信息进行解析，根据前面的判断和处理结果和运动控制解析结果发送相应的控制指令给行走控制模块和升降控制模块。
行走控制模块接收来自总体控制器的运动控制指令，并周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块。行走控制模块在接收来自总体控制模块的CAN帧运动指令信息，根据控制算法将运动指令信息解析成四个电机的控制信息，采用插补算法对电机的控制信息进行解算，通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式把电机速度、加速度、位置等参数发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、运动信息进行查询。
升降控制器接收来自总体控制器的运动控制指令，并周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块。升降控制模块在接收来自总体控制模块的CAN帧运动指令信息，根据制定的通信协议解析运动指令信息，得到当前的动作方向、速度。升降控制模块周期性通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式读取当前电机的位置、速度以及状态信息。在控制方式上，通过设定一个虚拟轴作为四个升降轴的参照标注，采用前馈PID算法对四个升降电机进行闭环。
传感器采集模块周期性的发送读取指令给各个传感器，并按照通讯协议解析传感器的数据以及状态信息，并定时发送给总体控制器。
方法实施例
本实施例还提供了一种基于CANopen总线通讯的多轴协同控制方法，该方法包括以下步骤：
通过总体控制模块获取运动控制信息和运行状态信息，并根据运行状态信息得到状态信息处理结果，总体控制模块接收到来自上位机的运动指令信息后，对运动指令按照设定的通信协议进行协议解析，根据状态信息处理结果对行走控制模块和升降控制模块发送相应的运动指令信息；
通过行走控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，行走控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据控制算法将运动指令信息解析成若干个电机的控制信息；
通过升降控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，升降控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据制定的通信协议解析运动指令信息，根据模拟的虚拟轴对电机运动进行前馈PID闭环控制；
通过传感器采集模块通过低速CAN总线将各个传感器串联起来，并周期性采集传感器信息，并定时将采集到的传感器上传给总体控制模块。
上述实施例中，还包括如下步骤：通过行走控制模块对电机的控制信息进行结算，通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、运动信息进行查询。
上述实施例中，还包括如下步骤：通过升降控制模块通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、当前位置速度信息进行查询。
本实施例针对现有的脉冲控制缺陷以及不同控制器之间的通信方式混乱的问题，采用CAN总线网络通信方式，根据功能要求确定各个模块之间所需的通信内容，完成通信协议的制定，实现各个模块之间的串行通信；采用CAN总线网络控制方式实现了布线简单可靠，对电机状态信息的采集与监控能实现闭环控制，有助于提高控制***的安全性和可靠性。采用该发明方法，解决了整车脉冲控制方式布线复杂，通信协议混乱，通信信息控制麻烦以及整车的安全性可靠性不高的难题。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***，其特征在于包括：上位机、总体控制模块、行走控制模块、升降控制模块和传感器采集模块；其中，
总体控制模块获取运动控制信息和运行状态信息，并根据运行状态信息得到状态信息处理结果，总体控制模块接收到来自上位机的运动指令信息后，对运动指令按照设定的通信协议进行协议解析，根据状态信息处理结果对行走控制模块和升降控制模块发送相应的运动指令信息；
行走控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，行走控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据控制算法将运动指令信息解析成若干个电机的控制信息；
升降控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，升降控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据制定的通信协议解析运动指令信息，根据模拟的虚拟轴对电机运动进行前馈PID闭环控制；
传感器采集模块通过低速CAN总线将各个传感器串联起来，并周期性采集传感器信息，并定时将采集到的传感器上传给总体控制模块；其中，
行走控制模块对电机的控制信息进行结算，通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、运动信息进行查询；
升降控制模块通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、当前位置速度信息进行查询。
2.根据权利要求1所述的基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***，其特征在于：所述运动指令信息为CAN帧运动指令信息。
3.根据权利要求1所述的基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***，其特征在于：行走控制模块采用插补算法对电机的控制信息进行结算。
4.根据权利要求1所述的基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***，其特征在于：各个传感器包括支腿测距传感器、电压测量仪表以及倾角传感器。
5.根据权利要求1所述的基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***，其特征在于：所述运动控制信息包括当前的运动速度和角度、升降高度。
6.根据权利要求1所述的基于CANopen总线通讯的多轴协同控制***，其特征在于：所述运行状态信息包括行走控制模块的状态信息、升降控制模块的状态信息和传感器信息。
7.一种基于CANopen总线通讯的多轴协同控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
通过总体控制模块获取运动控制信息和运行状态信息，并根据运行状态信息得到状态信息处理结果，总体控制模块接收到来自上位机的运动指令信息后，对运动指令按照设定的通信协议进行协议解析，根据状态信息处理结果对行走控制模块和升降控制模块发送相应的运动指令信息；
通过行走控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，行走控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据控制算法将运动指令信息解析成若干个电机的控制信息；
通过升降控制模块周期性地将自身的状态信息发送给总体控制模块，升降控制模块在接收来自总体控制模块的运动指令信息，根据制定的通信协议解析运动指令信息，根据模拟的虚拟轴对电机运动进行前馈PID闭环控制；
通过传感器采集模块通过低速CAN总线将各个传感器串联起来，并周期性采集传感器信息，并定时将采集到的传感器上传给总体控制模块；
通过行走控制模块对电机的控制信息进行结算，通过低速CAN总线采用事件触发、主从通讯的方式发送给电机驱动器，并周期性的通过低速CAN总线对电机状态信息、运动信息进行查询。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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