CN107024875A - 一种基于can总线网络的运动控制实时通讯方法 - Google Patents

一种基于can总线网络的运动控制实时通讯方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，属于运动控制技术领域。它解决了现有技术中运动控制通讯方法实现成本高没有针对CAN总线网络的运动控制实时通讯方法的问题。本方法包括若干具有CAN总线接口的芯片，其中一个作为发送控制指令的主控制器，其他具有CAN总线接口的芯片作为驱动器且分别与电机一一对应连接，主控制器与驱动器通过CAN总线接口连接形成CAN总线网络，本方法包括以下步骤：A、发送控制数据信息；B、发送同步帧；C、返回反馈数据；D、持续通讯。本方法通过CAN总线网络进行高速有效的运动控制通讯。

Description

一种基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法
技术领域
本发明属于运动控制技术领域，涉及一种基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法。
背景技术
随着社会的发展，自动化控制生产已经大规模的普及和应用。自动化设备如数控加工设备、包装设备、纺织设备等等都需要对较多的电机进行控制，也就是多轴运动控制。多轴运动控制对同步性和实时性的要求特别高。目前针对多轴运动控制，大多采用基于现场总线的分布式控制方式实现多轴联动。
目前较多的运动控制通讯是基于SERCOS总线上的，如中国专利文献公开了申请号为CN201510278034.1的一种SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，其包括PLC、运动控制器以及SERCOS通信单元，运动控制器与SERCOS通信单元分别与PLC电连接，该系统还包括SERCOS主站、一个以上SERCOS从站，SERCOS主站和SERCOS从站通过光纤闭环通信连接，每个SERCOS从站上均连接有驱动伺服电机的伺服驱动器，运动控制器与伺服驱动器之间采用SERCOS报文通讯传递指令与反馈信息。通过SERCOS总线通讯虽然能完成运动控制，但是需要SERCOS通信单元的控制器，其具有成本高，对于硬件要求较高，实施起来困难的缺点。还有MACRO、Fire、Wire、MODBUS、Profibus的总线也能够用于多轴运动控制但同样的上述的总线方式运用到实际当中需要专业的技术支持并且需要投入大量的资金，对普通厂家来说实施起来比较困难。
CAN是控制器局域网络Control ler Area Network的简称，属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线网络目前是运用最广普及最前面的总线网络，基本上控制芯片上均具有CAN总线接口，设置成本低。但由于其通讯速度较慢，并且对于多轴运动控制传输的通讯信息比较多，对速度上要求比较高，因此目前并没有基于CAN总线网络的运动控制实时通讯的方法。
发明内容
本发明针对现有的问题，提出了一种基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，该方法解决的技术问题是如何通过CAN总线网络进行高速有效的运动控制通讯。
本发明通过下列技术方案来实现：一种基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，包括若干具有CAN总线接口的芯片，其中一个作为发送控制指令的主控制器，其他具有CAN总线接口的芯片作为驱动器且分别与电机一一对应连接，主控制器与驱动器通过CAN总线接口连接形成CAN总线网络，其特征在于，本方法包括以下步骤：
A、发送控制数据信息：控制数据信息包括一帧包含有控制电机状态数据的指令以及至少一帧包含有多个电机转动给定位置数据的指令，主控制器将上述指令发送给驱动器，驱动器对接收到的上述指令进行读取，每个驱动器均读取出上述指令中的信息；
B、发送同步帧：主控制器发送完控制数据信息后发送一个用于使驱动器同步执行工作的同步帧，驱动器接收到同步帧后开始执行与本身相关的控制数据信息使电机动作；
C、返回反馈数据：驱动器执行控制信息后发送一帧反馈数据给主控制器；
D、持续通讯：主控制器定时周期性发送数据信息，每个周期内均包括上述的控制数据信息和同步帧数据。
本通讯方法基于CAN总线网络进行实时运动控制，将运动控制数据通过几个帧完成携带形成一组控制信息，输出数据量少，提高了通讯速度，并且在有限的几帧数据当中包括了完整运动控制的控制信息，从而保证了运动控制的有效性。具有控制电机状态的数据携带在一个帧当中，并且含有电机转动给定位置的数据在一个帧中具有多个，在需控制电机的数目较少时可通过一个帧完成携带，再加上一个同步帧和一个携带反馈数据的帧，最少能够通过四个帧的数据就完成一组运动控制通讯，大大提高了通讯速度，使CAN总线网络能够快速有效实现运动控制。由于一个帧中含有多个电机转动给定位置的数据，能够对一定量的电机进行控制，帧数少而控制的电机数多，节省了帧数提高了通讯速度。采用本通讯方法使运动控制能够通过CAN总线网络实施，由于CAN总线网络实施简单成本低，因此大大降低了实现运动控制的成本。
在上述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法中，在上述的步骤A中，一帧包含有电机转动给定位置数据的指令具有四个电机转动给定位置数据，每两个字节对应给出一个电机转动给定位置数据。通过两个字节能够将一个电机转动给定位置数据完整给出，一帧中具有八个字节，划分成四组分别给出四个电机转动给定位置数据。从而在一帧当中能携带多个电机转动给定位置数据，降低了帧数，提高通信效率。
在上述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法中，在上述的步骤A中，包含有控制电机状态数据的指令中具有控制字节，由控制字节携带控制电机状态数据，控制电机状态数据包括电机需执行状态和需对电机需执行状态进行响应的驱动器信息，剩下的字节能携带电机转动给定位置数据。将必须携带的数据进行合理划分，在一帧携带电机状态数据后，将剩下的字节组合来携带电机转动给定位置数据，既保证电机状态数据的携带传输又能够增加控制电机的数量，使帧的容量得到合理利用，增加了通讯的速度。
在上述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法中，所述控制字节由两个字节组成，两个字节分别为字节五和字节六，其他六个字节两两分为三组，每组能携带一个电机的转动给定位置数据。控制字为电机状态数据携带单元，在四个帧的数据形成一组控制信息时，通过两个字节就能完成电机状态数据的携带。剩下的字节两两一组形成三组对应给出三个电机转动给定位置数据。从而在需要控制七个或七个以下电机时，通过四个帧就能完整完成运动控制的一组通讯。
在上述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法中，所述字节五决定字节六所表示的电机需执行状态，所述字节六携带有需对电机需执行状态进行响应的驱动器信息。由字节五中的多个比特位进行计算得出数值，每个数值对应字节六所需表示的电机需执行状态。字节六中采用多个比特位一一对应驱动器的控制，由比特位的数字“1”表示需要执行电机需执行状态信息。
在上述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法中，所述控制字中携带有用于控制驱动器循环发送反馈数据的信息，每次一个驱动器发送反馈数据。通过这样设置使得反馈数据循环发送，不用每个驱动器都一起发送，从而简化的通讯过程，并且每个驱动器循环发送也能够得知每个驱动器反馈的电机相关状态，从而能够简化过程的同时保证通讯效果。
在上述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法中，在所述步骤C中，一帧反馈数据中包含电机当前转动到的位置、电机当前驱动的状态以及发送反馈数据的驱动器信息。通过反馈数据能够得知电机当前转动到的位置和电机当前驱动的状态，并且通过反馈数据的驱动器信息也能够知道是哪个驱动器返回的反馈数据，从而可以检查出是不是该这个驱动器反馈数据。
在上述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法中，所述步骤C中，一帧反馈数据中留有字节供编写指定需要反馈的电机驱动信息。反馈数据中留有字节可以根据操作人员所需写入需要反馈的电机驱动信息，从而使本通讯方法具有针对性和适应性。
在上述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法中，在通讯中断后重新开始通讯时，主控制器先发送同步帧给驱动器之后再从步骤A开始工作。当通讯中断后重启时，发送同步帧使驱动器继续中断前的工作，之后开始正常通讯。
在上述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法中，在上述的步骤A中，包含有控制电机状态数据的指令以及包含有电机转动给定位置数据的指令发送前后顺序可对调。驱动器接收到两个指令后需要通过接收到同步帧才开始工作，因此两个指令的前后可以对调，也可以同时发送。通过上述设置提高了通讯的简易性便于操作执行。
与现有技术相比，本基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法具有以下优点：
1、本发明基于CAN总线网络进行实时运动控制，将运动控制数据通过几个帧完成携带形成一组控制信息，输出数据量少，提高了通讯速度，并且在有限的几帧数据当中包括了完整运动控制的控制信息，从而保证了运动控制的有效性。
2、本发明一个帧内包含有电机转动给定位置数据的指令具有四个电机转动给定位置数据，从而在一帧当中能携带多个电机转动给定位置数据，降低了帧数，提高通信效率。
3、本发明在一帧携带电机状态数据后，将剩下的字节组合来携带电机转动给定位置数据，既保证电机状态数据的携带传输又能够增加控制电机的数量，使帧的容量得到合理利用，增加了通讯的速度。
附图说明
图1是本发明CAN总线网络的连接示意图。
图2是本发明通讯流程示意图。
图中，1、主控制器；2、驱动器；3、电机。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
图1中画出七个电机3作为示意，实际情况下可增加或减少电机3个数。如图1所示，一种基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，本通讯方法是基于CAN总线网络进行实现，包括若干具有CAN总线接口的芯片，其中一个作为发送控制指令的主控制器1，其他具有CAN总线接口的芯片作为驱动器2且分别与电机3一一对应连接，主控制器1与驱动器2通过CAN总线接口连接形成CAN总线网络。
如图2所示，本方法包括以下步骤：
A、发送控制数据信息：控制数据信息包括一帧包含有控制电机3状态数据的指令以及至少一帧包含有多个电机3转动给定位置数据的指令，主控制器1将上述指令发送给驱动器2，驱动器2对接收到的上述指令进行读取，每个驱动器2均读取出上述指令中与本身相关的信息。一帧包含有电机3转动给定位置数据的指令具有四个电机3转动给定位置数据，每两个字节对应给出一个电机3转动给定位置数据。通过两个字节能够将一个电机3转动给定位置数据完整给出，一帧中具有八个字节，划分成四组分别给出四个电机3转动给定位置数据。电机3状态包括使能不使能(使能为电机3得电)、报警清除和电机3的最大力矩限制。电机3转动给定位置为电机3转动的距离。
包含有控制电机3状态数据的指令中具有控制字节，由控制字节携带控制电机3状态数据，控制电机3状态数据包括电机3需执行状态和需对电机3需执行状态进行响应的驱动器2信息，剩下的字节能携带电机3转动给定位置数据。在需运动控制的电机3个数不超过七个的情况下，作为优选控制字节由两个字节组成，两个字节分别为字节五和字节六，其他六个字节两两分为三组，每组能携带一个电机3的转动给定位置数据，字节五决定字节六所表示的电机3需执行状态，字节六携带有需对电机3需执行状态进行响应的驱动器2信息。在运动控制的电机3个数超过七个的情况下，增加控制字节中携带对电机3需执行状态进行响应的驱动器2的信息的字节个数，使带对电机3需执行状态进行响应的驱动器2的信息的字节中的比特位个数与需运动控制电机3的个数相同。
每个驱动器2均读取出上述指令中与本身相关的控制信息包括读取携带对电机3需执行状态进行响应的驱动器2的信息以及电机3需执行状态信息。
包含有控制电机3状态数据的指令以及包含有电机3转动给定位置数据的指令发送前后顺序可对调。
B、发送同步帧：主控制器1发送完控制数据信息后发送一个用于使驱动器2同步执行工作的同步帧，驱动器2接收到同步帧后开始执行与本身相关的控制数据信息使电机3动作。
C、返回反馈数据：驱动器2执行与本身相关的控制信息后发送一帧反馈数据给主控制器1。一帧反馈数据中包含电机3当前转动到的位置、电机3当前驱动的状态以及发送反馈数据的驱动器2信息，控制字中携带有用于控制驱动器2循环发送反馈数据的信息，每次一个驱动器2发送反馈数据。
作为优选，一帧反馈数据中留有字节供编写指定需要反馈的电机3驱动信息。反馈数据中留有字节可以根据操作人员所需写入需要反馈的电机3驱动信息，从而使本通讯方法具有针对性和适应性。
D、持续通讯：主控制器定时周期性发送数据信息，每个周期内均包括上述的控制数据信息和同步帧数据。持续进行信息交流，保持对电机3的运动控制。一个周期的时间范围为800us至2ms。每个周期内驱动器完成发送一帧反馈数据，也就是每个周期时间内主控制器完成控制数据信息和同步帧数据的发送，驱动器完成反馈数据的发送。在主控制器没有接收到驱动器发送的反馈数据时，表明通讯节点脱机，主控制器向上位机反馈报警。
在通讯中断后重新开始通讯时，主控制器1先发送同步帧给驱动器2之后再从步骤A开始工作。
以下通过运动控制七个电机3来对本发明工作流程进行说明：
主控制器1先发送一帧包含有控制电机3状态数据的指令和一帧包含有电机3转动给定位置数据的指令给驱动器2。一帧包含有电机3转动给定位置数据的指令具有四个电机3转动给定位置数据，每两个字节对应给出一个电机3转动给定位置数据。具体为该帧中的字节一和字节二、字节三和字节四、字节五和字节六、字节七和字节八分别对应给出一个电机3转动给定控制数据。一帧包含有控制电机3状态数据的指令中字节五和字节六为控制字节，节一和字节二、字节三和字节四、字节七和字节八分别对应给出一个电机3转动给定控制数据。从而七个电机3的给定控制数据就被两个帧携带。
一帧包含有控制电机3状态数据的指令中字节五的前四个比特位表示电机3需执行状态的几种情况，当四个比特位表示十六进制数值为零时，控制字节无意义，驱动器2读取后不对电机3作控制而反馈一帧包括电机3当前转动到的位置、电机3当前驱动的状态以及发送反馈数据的驱动器2信息；当四个比特位表示十六进制数值为二时，字节六表示是使能控制，也就是控制电机3启动，字节六中的七个比特位，每个比特位对应一个电机3控制，当比特位写入“1”时表示这个比特位对应的电机3需要使能控制，驱动器2控制电机3使能，反之比特位“0”时表示这个比特位对应的电机3需要去使能控制，也就是控制电机3关闭，使能和去使能只需发送一次，在对应的电机3使能控制后，该电机3对应的驱动器2使该电机3按照电机3转动给定位置数据进行转动且转动到给定位置；当四个比特位表示十六进制数值为三时字节六表示清除报警控制，字节六中的七个比特位，每个比特位对应一个电机3控制，在比特位为“1”时，对应的驱动器2清除其对应的电机3报警；当四个比特位表示十六进制数值为四时字节六表示最大力矩限制，字节六定义0到255数值，0到255数值分别对应0到500％的力矩过载能力。还可以增加上述四个比特位表示十六进制数值大小，增加电机3需执行状态。
一帧包含有控制电机3状态数据的指令中字节五的后四个比特位表示控制驱动器2循环发送反馈数据的信息，每次一个驱动器2发送反馈数据。本实施例采用七个电机3，则七个电机3对应的驱动器2循环发送一帧的反馈数据，七个电机3分别编号1至7号，1至7号电机3对应四个比特位十六进制值1至7，如四个比特位十六进制值为1时，则与1号电机3连接的驱动器2反馈一帧数据，如四个比特位十六进制值为2时，则与2号电机3连接的驱动器2反馈一帧数据，以此类推。
驱动器2接收到主控制器1发送的两帧指令后进行读取，读取内容包括电机3转动给定位置数据、控制字节表示的电机3需执行状态和需对电机3需执行状态进行响应的驱动器2信息以及需反馈数据的驱动器2信息，从而得出其本身所需执行的控制信息。主控制器1发送完一帧包含有控制电机3状态数据的指令和一帧包含有电机3转动给定位置数据的指令后，发送一个用于使驱动器2同步执行工作的同步帧，驱动器2接收到同步帧后开始执行与本身相关的控制信息，从而控制电机3按照主控制器1发送的指令进行动作。
驱动器2根据读取的需反馈数据的驱动器2信息，得出本身是否需要发送反馈数据，如需要，则发送一帧反馈数据给主控制器1。一帧反馈数据中包含驱动器2对应控制的电机3的当前转动到的位置、当前驱动的状态以及发送的反馈数据的驱动器2信息。一帧反馈数据中，字节一至四的比特位分别对应电机3的转动位置，由字节一至四的比特位的数据得到电机3当前转动到的位置信息，字节七和字节八表示当前驱动的状态以及发送的反馈数据的驱动器2信息。字节七和字节八中留四个比特位表示哪个驱动器2发送的反馈数据，由四个比特位的十六进制数值得出对应的驱动器2，其他十一个比特位每一位分别表示驱动的状态的一种，驱动状态可包括伺服使能输出、伺服准备好输出、速度到达、零速度到达、电磁刹车控制信号输出、报警输出、过载警示、扭矩限制中、速度限制中、原点编码器电池状态、指令误差超越、指令范围到达。字节五和字节六可根据操作人员所需写入需要反馈的电机3驱动信息，返回的数据随意设定。。
在通讯中断后重新开始通讯时，主控制器1先发送同步帧给驱动器2之后再从步骤A开始工作。
在运动控制七个电机3通讯时，四个帧完成一组通讯信息。当需要超过对七个电机3进行运动控制通讯时，增加包含有电机3转动给定位置数据，同时根据电机3个数对应增加包含有电机3转动给定位置数据的指令中的控制字节即可。主控制器定时周期性发送数据，从而主控制器与驱动器持续进行通讯。
本发明基于CAN总线网络进行实时运动控制，将运动控制数据通过几个帧完成携带形成一组控制信息，输出数据量少，提高了通讯速度，并且在有限的几帧数据当中包括了完整运动控制的控制信息，从而保证了运动控制的有效性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了主控制器1、驱动器2、电机3等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，包括若干具有CAN总线接口的芯片，其中一个作为发送控制指令的主控制器(1)，其他具有CAN总线接口的芯片作为驱动器(2)且分别与电机(3)一一对应连接，主控制器(1)与驱动器(2)通过CAN总线接口连接形成CAN总线网络，其特征在于，本方法包括以下步骤：
A、发送控制数据信息：控制数据信息包括一帧包含有控制电机(3)状态数据的指令以及至少一帧包含有多个电机(3)转动给定位置数据的指令，主控制器(1)将上述指令发送给驱动器(2)，驱动器(2)对接收到的上述指令进行读取，每个驱动器(2)均读取出上述指令中的信息；
B、发送同步帧：主控制器(1)发送完控制数据信息后发送一个用于使驱动器(2)同步执行工作的同步帧，驱动器(2)接收到同步帧后开始执行与本身相关的控制数据信息使电机(3)动作；
C、返回反馈数据：驱动器(2)执行控制信息后发送一帧反馈数据给主控制器(1)；
D、持续通讯：主控制器(1)定时周期性发送数据信息，每个周期内均包括上述的控制数据信息和同步帧数据。
2.根据权利要求1所述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，其特征在于，在上述的步骤A中，一帧包含有电机(3)转动给定位置数据的指令具有四个电机(3)转动给定位置数据，每两个字节对应给出一个电机(3)转动给定位置数据。
3.根据权利要求1或2所述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，其特征在于，在上述的步骤A中，包含有控制电机(3)状态数据的指令中具有控制字节，由控制字节携带控制电机(3)状态数据，控制电机(3)状态数据包括电机(3)需执行状态和需对电机(3)需执行状态进行响应的驱动器(2)信息，剩下的字节能携带电机(3)转动给定位置数据。
4.根据权利要求3所述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，其特征在于，所述控制字节由两个字节组成，两个字节分别为字节五和字节六，其他六个字节两两分为三组，每组能携带一个电机(3)的转动给定位置数据。
5.根据权利要求4所述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，其特征在于，所述字节五决定字节六所表示的电机(3)需执行状态，所述字节六携带有需对电机(3)需执行状态进行响应的驱动器(2)信息。
6.根据权利要求3所述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，其特征在于，所述控制字中携带有用于控制驱动器(2)循环发送反馈数据的信息，每次一个驱动器(2)发送反馈数据。
7.根据权利要求1所述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，其特征在于，在所述步骤C中，一帧反馈数据中包含电机(3)当前转动到的位置、电机(3)当前驱动的状态以及发送反馈数据的驱动器(2)信息。
8.根据权利要求7所述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，其特征在于，所述步骤C中，一帧反馈数据中留有字节供编写指定需要反馈的电机(3)驱动信息。
9.根据权利要求8所述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，其特征在于，在通讯中断后重新开始通讯时，主控制器(1)先发送同步帧给驱动器(2)之后再从步骤A开始工作。
10.根据权利要求1所述的基于CAN总线网络的运动控制实时通讯方法，其特征在于，在上述的步骤A中，包含有控制电机(3)状态数据的指令以及包含有电机(3)转动给定位置数据的指令发送前后顺序可对调。
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