基于CANopen的双电机同轴驱动控制技术研究

万　其，刘　洋

(南京工程学院 自动化学院，　南京 211167)



·天馈伺系统·

基于CANopen的双电机同轴驱动控制技术研究

万其，刘洋

(南京工程学院 自动化学院，南京 211167)

同轴驱动是增大输出功率或消除传动齿隙非线性对控制精度影响的有效手段。针对双电机同轴驱动控制需求，建立基于CANopen协议的双电机同轴控制系统，重点介绍了双电机消隙控制系统的实现方法，探讨了CANopen的传输时序设计过程。实验结果表明：采用具备CANopen协议的通用伺服驱动器实现的双电机同轴驱动控制，简化了系统的设计，提高了伺服系统控制精度和改善系统的动态性能。

双电机；同轴；CANopen协议

0　引　言

同轴驱动属于多电机协调控制技术范畴，其应用主要来源于两类需求：一是在一些重载系统中往往单台电机驱动难以满足要求，需要多台电机协调传动，如盾构机刀盘多电机驱动系统[1]、石油钻机起升系统[2]等；另一类是为了提高控制系统的精度，采用多电机同轴驱动消除传动链中齿隙，广泛应用于各类军事领域、精密机械加工等机电一体化设备的自动控制系统中，如军事领域中精密测量雷达装备[3-4]、机床回转工作台[5-6]等。

同轴驱动是将多台电机通过传动机构连接，共同驱动负载设备，目前，同轴驱动控制技术主要从控制结构和控制算法方面开展研究，控制结构采用较多的是单速度回路控制，速度控制器的输出作为所有电机转矩回路的输入，实现多电机力矩均衡驱动，在需要消除传动齿隙的系统中，增加偏置转矩，消除传动齿隙[7]；主从式结构是将主电机控制器的输出转矩作为从电机转矩回路的输入[8]，在上述控制结构的基础上，增加神经元[9]、模糊控制等先进算法，实现更优的控制性能。

CANopen由非营利组织CiA(CAN in Automation)起草，是架构在控制局域网路CAN(Controller Area Network)上的高层通信协定，具备通信实时性好、可靠性高及低成本等优点，CiA DS301定义了基本设备及通信子协议，CiA DS402在CiA DS301基础上补充定义运动控制子协议。为实现多电机同轴驱动，需要在伺服电机驱动器之间进行数据实时传输，利用具备CAN网络的通用伺服驱动器实现同轴驱动是快速实现系统设计的方法。

1　系统控制

1.1控制系统组成

基于CANopen的双电机同轴驱动控制系统组成如图1所示，由上位机、速度控制器、伺服驱动器1、伺服驱动器2、电机减速机1、电机减速机2、负载及目标轴角度传感器等组成。速度控制器具备两路CAN总线接口，一路与上位机相连，接收上位机速度给定指令及回送控制系统状态，另一路与伺服驱动器1、2相连，传输转矩指令及接收伺服驱动器1、2实时检测的电机实际转速及实际转矩，其中伺服驱动器1、2支持CiA DS301协议和CiA DS402协议。在上述系统中，位置控制由上位机完成，速度控制器实现双电机同轴驱动的速度和消隙控制，伺服驱动器设置为转矩模式，实现电机的转矩控制，位置控制为常规的控制方法，以下主要描述双电机同轴驱动控制系统的速度控制实现方法。

图1　控制系统组成

1.2速度控制器的硬件

速度控制器是衔接上位机与伺服驱动器的纽带，同时完成速度和消隙控制。依据系统需求，速度控制器具备两路CAN控制器及完成速度、消隙等控制的运算，采用意法半导体STM32F407为控制核心，具备两路CAN控制器及浮点运算功能，硬件组成如图2所示，配备STM32F407的最小系统电路及两路CAN收发的物理接口。

图2　速度控制器的硬件组成

1.3双电机同轴驱动控制回路

双电机同轴驱动主要应用于增大驱动功率或消除传动链齿隙对系统性能的影响，消隙控制的双电机同轴驱动控制系统回路如图3所示，其中速度控制(速度环校正)、消隙控制等在图1的速度控制器中完成，转矩环在图1的伺服驱动器中完成(即将伺服驱动器设置为转矩控制模式)。双电机同轴驱动的两台电机通过传动链刚性连接，单速度回路采用和速反馈控制策略，即速度反馈取自两台电机的实际速度之和除以2。

图3　双电机同轴驱动控制系统回路框图

消隙控制偏置转矩F(x)是两台电机实际转矩之和x的函数，计算如下

(1)

式中：k为最大偏置转矩，可依据实际系统进行调整，通常选取系统额定转矩的20%左右，当转矩之和x较小时，消隙控制输出固定的偏置转矩k/2，随着转矩之和x的增加，偏置转矩逐渐减小为0，避免电机系统的驱动转矩损失，将速度控制器的输出与消隙偏置转矩F(x)进行叠加，即完成双电机同轴驱动的消隙控制。为提高输出功率的双电机同轴驱动控制回路框图与图2类似，去除消隙相关控制即可，在此不再赘述。

2　基于CANopen控制

2.1CANopen简介

CANopen设备由三个部分构成，即应用部分、通信部分和对象字典，应用部分是设备的工作程序，通信部分根据CANopen协议在CAN总线上收发报文，对象字典描述了设备使用的各种数据及参数。CANopen协议定义了四种报文格式实现不同功能的通信，网络管理NMT实现主节点传输控制命令及从站点传输心跳报文等功能，服务数据对象SDO 用于传输非实时性数据，过程数据对象PDO传输无协议通信，用于传输实时性要求高的过程数据，特殊功能协议实现同步对象(SYNC)及紧急事件对象(Emergency)等传输功能。

2.2伺服驱动器PDO通道映射

依据1.2节描述的双电机同轴驱动控制需求，速度控制器需要实时采集伺服驱动器中的实际电机转速，消隙控制需要实时采集伺服驱动器中的实际转矩数据，消隙控制的输出即伺服驱动器的转矩给定也需要实时传输，结合CANopen传输报文特点，上述数据通过过程数据对象PDO进行传输。每个PDO通道最大可以映射八个字节，为提高传输实时性，仅使用伺服驱动器中PDO发送通道1(TPDO1)和PDO接收通道1(RPDO1)。表1、表2分别为TPDO1、RPDO1的重映射数据(两台伺服驱动的PDO映射完全相同)，表中数据均为16进制。TPDO1映射了三个对象，即实际转速(606c)、实际转矩(6077)、故障信息(1001)，共占用7字节，RPDO1映射了控制字(6040、32位)和目标转矩(6071、16位)，速度控制器通过接收TPDO1的数据，实现速度、消隙的控制，同时通过RPDO1，发送控制字及目标转矩到伺服驱动器，这种映射方法将全部控制功能在CANopen过程通道(PDO)中实现，无需再有其他SDO通信，减小CAN总线负载，提高系统实时性。

表1　TPDOI映射

表2　RPDIO映射

2.3CANopen通讯时序

为提高速度控制采样频率，合理设计CANopen时序非常重要，在CANopen中存在两种通信模式，即同步通信和异步通信，为提高同步性能，CANopen通信采样同步模式，由速度控制器发送同步帧控制CANopen通信过程。

图4为CANopen数据传输时序设计，其中，Ts为速度控制采用周期，①为定时中断周期起点，在此时刻，速度控制发送同步帧SYNC，经过T1后在时刻②完成，伺服驱动器1、2接收到同步帧后，TPDO1回送数据，经过T2、T3即在时刻③、④分别接收到伺服驱动器1、2回送的实际转速和实际转矩值，在时刻④速度控制器开始速度控制校正运算及消隙偏置力矩等计算，经历T4，在时刻⑤完成计算，并发送转矩给定到伺服驱动器1的RPDO1，经历T5后完成发送，在时刻⑥发送转矩给定到伺服驱动器2的RPDO1，在时刻⑦完成，T7为采样周期中空闲时间，用于速度控制器处理与上位机通信等。

图4　CANopen数据传输时序

3　系统测试

按图1构建双电机同轴驱动控制系统，速度控制器硬件设计见1.2节，伺服电机驱动器选择Elmo Whistle数字伺服控制器，支持CiA DS301、CiA DS402协议，图5为双电机同轴驱动系统试验平台，包括电机、减速机、齿轮箱、模拟负载惯量盘等。

3.1控制时序测试

依据2.3节描述的CANopen时序设计，进行了实际通信测试，测试条件为CAN总线通信波特率500 kHz，速度回路周期5 ms(采样频率200 Hz)，表3为CAN总线通信调试器在计算机中记录的CANopen通信时序。

按图4的数据传输模式进行测试，同步SYNC发出后，经过约0.7 ms后接收伺服驱动器1回送的速度反馈和转矩反馈，再经过约0.7 ms(T1)后接收伺服驱动器2回送的速度反馈和转矩反馈，完成反馈数据的传输，图4中T4为速度控制器开始速度控制校正运算及消隙偏置力矩计算等计算时间，从表3中可估算约70 μs，完成运算后，进行数据发送，通过实测，包含五次CAN数据传输及运算时间约为0.7 ms×5+0.07 ms=3.57 ms，因此速度回路采样周期为5 ms是合适的。

3.2同轴驱动速度阶跃特性

在试验系统上进行速度控制测试，数据是CAN总线调试软件记录，速度控制的采样周期为5 ms，因此记录的数据为每一帧5 ms。图6为双电机驱动速度阶跃两台电机的转矩响应曲线，由于转矩的响应远小于记录周期5 ms，因此，转矩无法观察到响应时间，由图6可以看出，在初始阶段，和力矩小，产生消隙转矩，当系统需要转矩较大时，消隙转矩为0。图7为速度阶跃响应曲线，输入为额定转速的30%左右，响应时间为120 ms左右，超调量小。为方便观察，将图6、图7合并在一起为图8所示的速度阶跃的转矩和速度响应曲线。通过上述试验，验证了基于CANopen的双电机同轴控制系统设计的可行性。

图6　速度阶跃电机转矩特性

图7　速度阶跃响应曲线

图8　速度阶跃的转矩和速度响应性能

4　结束语

同轴驱动是增大输出功率或消除传动齿隙非线性对控制精度影响的有效手段，建立基于CANopen协议的双电机同轴控制系统，并重点描述了双电机消隙控制系统的实现方法，详细介绍了CANopen的传输时序设计过程。该系统利用通用伺服驱动器，实现方法简单，工程实用性强。试验结果表明：采用具备CANopen协议的通用伺服驱动器实现的双电机同轴驱动控制，简化了系统的设计，能够满足伺服系统控制精度和改善系统的动态性能。

基于CANopen协议的双电机同轴控制系统也可以用于多电机的同轴驱动控制，由于多电机传输的数据量增大，实时性能受到影响，因此，如何将基于通用现场总线技术应用到多电机同轴控制且提高通信实时性是目前多电机同轴控制的研究方向之一。

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万其男，1970年生，研究员级高级工程师。研究方向为伺服控制技术。

刘洋男，1993年生，本科。研究方向为自动控制。

A Study on the Dual Motor Coaxial Driven Contol Based on CANopen

WAN Qi，LIU Yang

(School of Automation, Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167, China)

Coaxial driven is an effective means to increase the output power or eliminate the nonlinearity of the transmission gear backlash on the control precision. According to the requirement of dual motor coaxial driven control, a dual motor coaxial control system based on CANopen protocol is set up. The implementation of dual motor anti-backlash control system is emphasized, and the design process of transmission sequence of CANopen is discussed. The experimental results show that using the universal servo driver with CANopen protocol to realize the dual motor coaxial driven control, which simplifies the design of system, improves the control precision of servo system and improves the dynamic performance of the system.

dual motor；coaxial driven；CANopen

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.09.015

南京工程学院科研基金项目(YKJ201319)

万其Email：qiwanchen@163.com

2016-04-26

2016-06-27

TM341

A

1004-7859(2016)09-0071-04