CN113485205B - 一种基于canbus总线的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CANBUS总线的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法，具体地说是一种用于多轴同步伺服***中，实现主从轴之间运动同步的控制方法。本方法能够克服传统的脉冲同步方式抗干扰性差的问题，又比基于实时工业以太网的同步***成本低，结构简单。本方法首先基于CANBUS实现网络内部时钟同步，每个节点驱动器具有统一的时间基准。同时采用CANBUS数据报文传输主轴的速度、位置、位置变化率等信息。为了补偿传输延时和可能的数据丢失造成的位置滞后，保证位置同步的性能，本发明设计了位置补偿和重构算法，为多轴同步伺服***提供了一种高性价比解决方案，具有重要的应用价值。

Description

一种基于CANBUS总线的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法

技术领域

本发明涉及一种基于现场总线CANBUS的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法，具体地说是一种用于多轴同步伺服***中，实现主轴与从轴之间运动同步的控制方法。

背景技术

如图1所示，一个典型的多轴同步运动控制***由多个伺服单元、伺服电机、一个运动控制器和同步网络组成。在自动化程度要求较高、需要多台电机协调同步工作，精确地控制位置、速度、力矩等参数的工作场合，如包装机械、套色印刷、纺织机械、飞剪、造纸机械、精密机床、工业机器人和高速电梯等重要领域中，得到普遍的使用。同步运动控制正在向网络化、集成化、智能化等方面发展。

实现多轴同步的控制方式有传统的脉冲方式和新型的现场总线方式。采用传统脉冲方式设计的伺服***往往会容易引入干扰，这种设计对脉冲的走线要求极高，往往需要采用高成本的差分传输和电磁屏蔽，稍有不慎就会引入干扰脉冲，产生位置误差，严重时可导致***无法正常运行。另一种实现多轴同步的方式是采用EtherCat，Profinet等实时工业以太网技术，在抗干扰和响应时间等方面优势明显，但其开发复杂，成本较高，需要专用集成电路ASIC支持，而且必须依赖上位机***，无法实现点对点的信息传输。

控制器局域网CANBUS总线具有可靠性高、技术成熟、开发方便、成本低等优点，在经济型的场合得到广泛应用。与其他现场总线相比，CANBUS具有独特的“多主”特性，可以实现网内任意节点之间的通信。针对脉冲方式接线繁琐、脉冲易丢失、抗干扰能力差以及实时以太网成本高昂等方案的不足，本技术方案设计了基于CANBUS总线的多轴同步***来解决上述问题。同时为了解决高速时CANBUS通信延时带来的位置响应滞后，设计了基于CANBUS的PWM时钟同步和位置重构算法，实现网络内部时钟同步，补偿通信延时带来的位置滞后，为多轴同步伺服***提供一种高性价比解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本的，基于CANBUS(控制器局域网)的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法，应用于伺服***的多轴同步运动控制***，实现多轴之间的位置同步。如图1所示，典型的多轴同步伺服***包含一个上位机、一个主轴和多个从轴，每个轴由一个伺服驱动器和伺服电机组成，伺服电机安装有编码器，获取实时的电机位置反馈。本技术方案首先基于CANBUS实现网络内部时钟同步，每个节点驱动器具有统一的时间基准，因此每一台驱动器的电流采样时刻、电流环任务执行时刻以及获取的位置指令的时刻都是同步的。

本技术方案同时采用CANBUS传输主轴的速度和位置信息，由于传输存在延时，因此从轴收到的参考位置是滞后的，特别是在高速运行的情况下，这个滞后更加明显；另外在工业环境中存在大量的电磁干扰，这可能导致通信数据帧错误而被丢弃，从而造成某一个插补周期的位置给定不能更新，进一步导致多轴位置出现偏差。为了解决这两个问题，本技术方案设计了位置补偿和重构算法，补偿通信延时和数据丢失可能造成的位置滞后。

本发明提供的基于CANBUS总线的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法，具体实现步骤如下：

(1)使用带有CANBUS收发器的DSP芯片作为主控CPU，并进行如下配置：主轴和从轴采用相同的***时钟频率和对称式PWM，且具有相同的PWM周期；开放PWM周期中断和下溢中断；使用DSP内部的一个定时器作为任务时钟定时器，该定时器运行于自由计数模式，计数值在PWM的下溢中断被清零，该定时器的计数值代表该伺服驱动器的本地时钟相位；

(2)主轴驱动器将下溢中断作为PWM周期的开始时刻t₀，广播发送CANBUS同步报文；第i个从轴驱动器接收CANBUS同步报文，接收时刻记为t_si，并开放同步报文接收中断；

(3)计算主轴和第i个从轴的时钟相位差Δt_i＝t_d-t_si，其中t_d为从t₀时刻到从轴的时钟被读取之间经过的时间；

对从轴PWM时钟相位进行调整，如果Δt_i＞0，则减小下一拍的PWM周期时间，使下一拍的PWM提前结束；如果Δt_i＜0，则增大下一拍的PWM周期时间，使下一拍的PWM延迟结束，实现PWM相位同步。

进一步地，对从轴PWM时钟相位进行调整的过程中，增大或减小的时间数值为Δt_i/2。

进一步地，在伺服驱动器初始化过程中，时钟同步可以多次执行，计算相位差Δt_i的平均值，可以得到更准确的同步效果；在初始化完成后的运行过程中，也可以定时进行相位差的测量，以补偿环境变化对传输延时和时钟精度的影响。

进一步地，主轴驱动器广播发送CANBUS数据报文，以进行位置补偿和重构，CANBUS数据报文的数据帧格式如下：

表1主轴Canbus发送数据域

其中：

V：为主轴的当前速度Speed；

P：为主轴的当前位置Position；

ΔP_k＝P_k-P_k-1：为主轴的二个插补周期之内的位置变化量ΔPosition；

ΔP′_k＝ΔP_k-ΔP_k-1：为主轴的二个插补周期之内的位置变化量ΔPosition的变化率，相当于位置的二阶导数，等效于加速度。

进一步地，在每个插补周期对通讯延时和数据丢失进行位置补偿和重构，具体步骤如下：

(1)从轴读取CANBUS寄存器，如果有新数据接收成功，转步骤(2)，如果没有新的数据接收，转步骤(3)；

(2)新数据接收成功，表明从轴通过CANBUS数据报文从主轴驱动器收到了位置相关数据，则根据式(1)计算从轴的给定位置，然后转步骤(4)；

其中：

表示第k个周期从轴的给定位置；

P_Master是从轴通过CANBUS接收到的主轴位置；

P_comp(k)是计算的位置补偿量，T_s是插补周期，T_d是通信延时；

(3)如果本次插补周期没有收到数据，则根据式(2)重构从轴的给定位置，然后转步骤(4)；

其中：

表示第k个周期从轴的给定位置；

表示上一个周期从轴的给定位置；

P_comp(k)是计算的位置补偿量，T_s是插补周期，T_d是通信延时；

P_comp(k-1)是上一个周期计算的位置补偿量；

(4)从轴驱动器根据从轴的给定位置调整电机的位置，下一周期从步骤(1)开始。

本发明与现有技术对比的有益效果是：本技术方案解决了现有的脉冲同步方式接线繁琐，脉冲易丢失，抗干扰能力差的问题以及实时以太网技术成本高昂、开发困难等方案的不足。同时为了解决高速时CANBUS通信延时带来的位置响应滞后，设计了基于CANBUS的PWM时钟同步和位置补偿、重构算法，实现网络内部时钟同步，补偿通信延时和数据丢失带来的位置滞后，为多轴同步伺服***提供了一种低成本的高性价比解决方案。

附图说明

图1是本技术方案采用的多轴同步结构框图；

图2是伺服驱动器控制结构框图；

图3是主轴与从轴之间时钟差异示意图；

图4是时钟同步算法框图；

图5是时钟同步调节过程示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明揭示了一种低成本的，基于CANBUS的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法，应用于伺服***的多轴同步运动控制***，实现从轴与主轴之间或从轴之间的位置同步。如图1所示，***包含一个主轴和多个从轴。每个轴包括一个伺服驱动器和伺服电机，伺服电机装有编码器，获取转子的实时位置和速度反馈。主轴与从轴之间通过CANBUS实现时钟同步调节和位置信息的传输。

本技术方案使用带有CANBUS收发器的DSP芯片作为主控CPU，每个CPU带有两个CANBUS外设控制器，为了实现主轴和从轴之间的时钟同步，设计算法如下：

(1)主轴和从轴采用相同的***时钟和对称式PWM，且具有相同的PWM周期，开放PWM周期中断和下溢(过零)中断。使用DSP内部的一个定时器作为任务时钟定时器，该定时器运行于自由计数模式，计数值在PWM的下溢中断被清零，因此该定时器的计数值代表该伺服驱动器的本地时钟相位；

(2)在整个***上电初始化阶段，主轴驱动器将下溢中断作为PWM周期的开始时刻t₀，广播发送Id为sync_id的CANBUS同步报文，为了减小CANBUS总线带宽占用，同步报文配置成远程帧(没有数据域)；

(3)第i个从轴驱动器接收sync_id同步报文，接收时刻记为t_si，并开放同步报文接收中断。

在本技术方案中，所有从轴的控制算法相同，因此下面以图3、图4和图5为例，具体分析从轴的时钟同步过程。图中T_prd表示PWM周期，单位为时钟个数；t_m表示主轴时钟计数器。如图3所示，主轴和从轴时钟还没有同步，主轴在t₀时刻发送同步报文，从轴1在t_s1时刻收到同步报文，从轴2在t_s2时刻收到同步报文，t_d为同步报文的传输时间(CANBUS同步报文的位数固定，且总线空闲，确定波特率后，传输时间固定)；那么从主轴0时刻到从轴的时钟被读取之间经过的时间为t_d。从图3可以看出，如果从轴与主轴的时钟恰好同步，那么有：

t_d＝t_s1＝t_s2

令主轴和从轴的时钟相位差为Δt，则有：

Δt₁＝t_d-t_s1

Δt₂＝t_d-t_s2

如果Δt_1/2不等于0，那么主轴和从轴之间的时钟不同步，必须调整从轴的时钟相位达到同步。最直接的办法是直接调整从轴的PWM周期，令从轴的下一拍PWM周期提前或者滞后结束，从而实现下一周期主从时钟同步，如果Δt＞0，则减小下一拍的PWM周期时间，使下一拍的PWM提前结束；如果Δt＜0，则增大下一拍的PWM周期时间，使下一拍的PWM延迟结束，实现PWM相位同步。增大或减小的时间数值为Δt/2，本技术方案设计的同步算法如图4所示，同步的过程如图5所示，当主从之间时钟同步后，伺服***的控制任务是由PWM中断驱动的，因此控制任务也同步执行。

在伺服驱动器初始化过程中，上述过程可以多次执行，计算相位差的平均值，可以得到更准确的同步效果。在初始化完成以后的运行过程中，也可以定时进行相位差的测量，以补偿环境变化对传输延时和时钟精度的影响。在实现主轴和从轴之间时钟同步以后，各轴之间具有了统一的时间基准，每个从轴接收到的位置指令基本上在同一时刻，位置插补任务也在同一时刻执行，如图5所示。

进一步地，由于CANBUS通信传输需要时间，因此每个从轴收到的参考位置是滞后的，况且在某些应用场合可能使用异步伺服电机，由于异步电机存在转差，因此响应更慢，特别是在高速运行的情况下，滞后更加明显；另外在工业环境中存在大量的电磁干扰，这可能导致通信数据帧错误而被丢弃，从而造成某一个插补周期的位置给定不能更新，进一步导致从轴位置出现偏差。为了解决这两个问题，本技术方案设计了位置补偿和重构算法，补偿通信延时和数据丢失可能造成的位置滞后。

在***初始化完成以后，主轴和从轴之间实现了时钟同步。在运行过程中，另一个CANBUS数据报文负责传输主轴的速度和位置信息，从轴接收此信息作为位置给定。为了保证多轴同步的效果，必须补偿通讯延时和数据丢失的影响。

本发明采用的技术方案如下：

主轴数据报文使用数据帧，数据域传输8个字节的数据，如下表1所示：

表1主轴Canbus发送数据域

其中：

V：为主轴的当前速度Speed；

P：为主轴的当前位置Position；

ΔP_k＝P_k-P_k-1：为主轴的二个插补周期之内的位置变化量ΔPosition；

ΔP′_k＝ΔP_k-ΔP_k-1：为主轴的二个插补周期之内的位置变化量ΔPosition的变化率，相当于位置的二阶导数，等效于加速度。

每个从轴的控制结构框图如图2所示，每个位置环插补周期都执行位置重构算法，算法描述如下：

(1)从轴读取CANBUS寄存器，如果有新数据接收成功，转步骤(2)，如果没有新的数据接收，转步骤(3)；

(2)新数据接收成功，表明从轴通过CANBUS数据报文从主轴驱动器收到了位置相关数据，则根据式(1)计算从轴的给定位置，然后转步骤(4)；

其中：

表示第k个周期从轴的给定位置；

P_Master是从轴通过CANBUS接收到的主轴位置；

P_comp(k)是计算的位置补偿量，T_s是插补周期，T_d是通信延时；

(3)如果本次插补周期没有收到数据，则根据式(2)重构从轴的给定位置，然后转步骤(4)；

其中：

表示第k个周期从轴的给定位置；

表示上一个周期从轴的给定位置；

P_comp(k)是计算的位置补偿量，T_s是插补周期，T_d是通信延时；

P_comp(k-1)是上一个周期计算的位置补偿量；

(4)从轴驱动器根据从轴的给定位置调整电机的位置，下一周期从步骤(1)开始。

以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种基于CANBUS总线的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法，其特征在于，该方法包括：

(1)使用带有CANBUS收发器的DSP芯片作为主控CPU，并进行如下配置：主轴和从轴采用相同的***时钟频率和对称式PWM，且具有相同的PWM周期；开放PWM周期中断和下溢中断；使用DSP内部的一个定时器作为任务时钟定时器，该定时器运行于自由计数模式，计数值在PWM的下溢中断被清零，该定时器的计数值代表该伺服驱动器的本地时钟相位；

(2)主轴驱动器将下溢中断作为PWM周期的开始时刻t₀，广播发送CANBUS同步报文；第i个从轴驱动器接收CANBUS同步报文，接收时刻记为t_si，并开放同步报文接收中断；主轴驱动器广播发送CANBUS数据报文，以进行位置补偿和重构，CANBUS数据报文的数据帧格式如下：

表1 主轴canbus发送数据域

其中：

V：为主轴的当前速度Speed；

P：为主轴的当前位置Position；

ΔP_k＝P_k-P_k-1：为主轴的二个插补周期之内的位置变化量ΔPosition；

ΔP_k′＝ΔP_k-ΔP_k-1：为主轴的二个插补周期之内的位置变化量ΔPosition的变化率，相当于位置的二阶导数，等效于加速度；

在每个插补周期对通讯延时和数据丢失进行位置补偿和重构，具体步骤如下：

1)从轴读取CANBUS寄存器，如果有新数据接收成功，转步骤2)，如果没有新的数据接收，转步骤3)；

2)新数据接收成功，表明从轴通过CANBUS数据报文从主轴驱动器收到了位置相关数据，则根据式(1)计算从轴的给定位置，然后转步骤4)；

其中：

表示第k个周期从轴的给定位置；

P_Master是从轴通过CANBUS接收到的主轴位置；

P_comp(k)是计算的位置补偿量，T_s是插补周期，T_d是通信延时；

3)如果本次插补周期没有收到数据，则根据式(2)重构从轴的给定位置，然后转步骤4)；

其中：

表示第k个周期从轴的给定位置；

表示上一个周期从轴的给定位置；

P_comp(k)是计算的位置补偿量，T_s是插补周期，T_d是通信延时；

P_comp(k-1)是上一个周期计算的位置补偿量；

4)从轴驱动器根据从轴的给定位置调整电机的位置，下一周期从步骤1)开始；

(3)计算主轴和第i个从轴的时钟相位差Δt_i＝t_d-t_si，其中t_d为从t₀时刻到从轴的时钟被读取之间经过的时间；

对从轴PWM时钟相位进行调整，如果Δt_i>0，则减小下一拍的PWM周期时间，使下一拍的PWM提前结束；如果Δt_i<0，则增大下一拍的PWM周期时间，使下一拍的PWM延迟结束，实现PWM相位同步。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对从轴PWM时钟相位进行调整的过程中，增大或减小的时间数值为Δt_i/2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在伺服驱动器初始化过程中，时钟同步可以多次执行，计算相位差Δt_i的平均值，可以得到更准确的同步效果；在初始化完成后的运行过程中，也可以定时进行相位差的测量，以补偿环境变化对传输延时和时钟精度的影响。

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