劉海山，王 恒，丁懷龍，焦 震，樊 茜

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

基于CAN總線的伺服系統(tǒng)參數(shù)在線裝訂方法

劉海山，王 恒，丁懷龍，焦 震，樊 茜

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

摘 要：以永磁同步電動機作為主要執(zhí)行元件的機電伺服系統(tǒng)在調試過程中往往需要頻繁修改控制參數(shù)以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，如果通過修改源代碼的方式修改參數(shù)，會導致軟件版本多，不易進行版本控制，效率低，影響研制進度，特別是在一些特殊的場合不允許對伺服控制驅動器進行開蓋(打開外殼)操作，不能更新軟件，也就無法實現(xiàn)控制參數(shù)的調整。提出一種基于CAN總線的伺服系統(tǒng)參數(shù)在線裝訂方法，利用上位機與數(shù)字信號處理器之間的CAN總線通信，實現(xiàn)對數(shù)字信號處理器片上Flash和RAM資源的尋址和讀寫控制，從而完成對伺服系統(tǒng)控制參數(shù)的在線裝訂及回讀校驗。通過實際工程應用證明，該方法方便高效、可靠性高，為機電伺服系統(tǒng)在型號中的快速應用提供很好的解決方案。

關鍵詞：CAN總線；永磁同步電動機；伺服系統(tǒng)；在線裝訂

0 引 言

隨著電力半導體器件和以電力半導體器件為基本功率元件的電力電子技術的迅速發(fā)展，以永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)作為主要執(zhí)行元件的機電伺服系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的液壓伺服系統(tǒng)。機電伺服系統(tǒng)以其體積小、質量輕、結構簡單、動態(tài)特性好等特點逐步應用到運載及武器裝備中。目前，機電伺服系統(tǒng)普遍采用三閉環(huán)(位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán))控制結構，對于PMSM的控制則普遍采用基于磁場定向的矢量控制(FOC)方式[1]，對于某些特定的被控對象，為抑制諧振頻率點上的諧振峰產(chǎn)生，還需要在特定頻率點上加入陷波濾波器算法，因此影響系統(tǒng)性能的控制參數(shù)較多，且修改困難，尤其在系統(tǒng)前期調試過程中往往需要頻繁修改控制參數(shù)以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，后期交付過程中由于產(chǎn)品的個性差異(機械特性、電氣特性等)也需要通過調整參數(shù)來滿足出廠的指標要求，如果通過修改源代碼的方式修改參數(shù)，會導致軟件版本多，不易進行版本控制，效率低，影響研制進度，特別是在一些特殊的場合不允許對伺服控制驅動器進行開蓋(打開外殼)操作，不能更新軟件，也就無法實現(xiàn)控制參數(shù)的調整。

本文研究一種基于CAN總線的伺服系統(tǒng)參數(shù)在線裝訂方法，利用上位機與數(shù)字信號處理器之間的CAN總線通信，實現(xiàn)對數(shù)字信號處理器片上Flash和RAM資源的尋址和讀寫控制，從而完成對伺服系統(tǒng)控制參數(shù)的在線裝訂及回讀校驗。

1 系統(tǒng)硬件設計

參數(shù)在線裝訂系統(tǒng)由上位機、下位機、供電電源、伺服作動器(以PMSM作為驅動元件)及相應的配套軟件等組成。其中上位機由NI PXI-1042機箱、NI PXI-8840 Quad-Core計算機以及PXI接口的CAN總線板卡NI PXI-8512/2或USB接口的CAN盒ZLG USBCAN-2E-U等組成，配套CAN總線在線參數(shù)裝訂軟件實現(xiàn)基本信息配置、裝訂參數(shù)解析、CAN總線消息下載及參數(shù)檢驗等功能。下位機主要由內(nèi)嵌TMS320F28335數(shù)字信號處理器[2]的伺服控制驅動器、供電及通信電纜、信號采集電纜等組成，配套包含在線參數(shù)裝訂組件的伺服控制驅動軟件實現(xiàn)CAN總線消息的接收和發(fā)送、控制參數(shù)解析、信號采集和伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制等功能。上、下位機之間采用CAN總線通信，實現(xiàn)控制參數(shù)的在線裝訂及回讀校驗。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 參數(shù)在線裝訂系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 CAN總線在線參數(shù)裝訂軟件設計

CAN總線在線參數(shù)裝訂軟件為上位機軟件，該軟件基于Windows7操作系統(tǒng)，采用C# 語言[3]開發(fā)，具有界面簡潔、自動化程度高、操作簡單等特點，如圖2所示。

圖2 CAN總線在線參數(shù)裝訂軟件界面

CAN總線在線參數(shù)裝訂軟件主要由界面顯示、CAN總線板卡操作、數(shù)據(jù)轉換、基本信息配置、下載參數(shù)配置、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、參數(shù)校驗、CAN總線消息記錄、裝訂記錄保存等模塊組成。界面顯示模塊主要實現(xiàn)裝訂參數(shù)表、菜單按鈕、裝訂狀態(tài)顯示等功能，包括讀取的控制驅動器內(nèi)的參數(shù)信息、裝訂時間、參數(shù)數(shù)量、裝訂進度等。CAN總線板卡操作模塊主要通過調用動態(tài)鏈接庫中的API接口函數(shù)[4]實現(xiàn)板卡啟動、初始化、數(shù)據(jù)收發(fā)、板卡關閉及資源釋放。數(shù)據(jù)轉換模塊主要將預置在Access數(shù)據(jù)庫[5]中的裝訂參數(shù)信息按照板卡規(guī)定的幀結構轉換成CAN總線消息鏈表或將從總線上接收的CAN總線消息處理成相應的參數(shù)信息?；拘畔⑴渲媚K主要讀取配置文件(.txt文件)中的配置信息，包括系統(tǒng)軟件名稱、板卡類型、波特率、消息ID、裝訂記錄存儲位置等，便于用戶根據(jù)需要靈活使用。下載參數(shù)配置模塊主要讀取界面文本框控件中的配置信息，包括參數(shù)版本信息及操作者編號，便于參數(shù)裝訂的查詢和追溯。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊主要調用發(fā)送和接收API接口函數(shù)實現(xiàn)CAN總線消息的發(fā)送和定時接收。參數(shù)校驗模塊逐字節(jié)比對伺服控制驅動器內(nèi)的參數(shù)與用戶選擇的參數(shù)(出廠值或設定值)的一致性，并給出是否一致的結果，如果不一致，需要顯示出不一致的具體參數(shù)并提示用戶。CAN總線消息記錄模塊主要記錄總線上的裝訂參數(shù)消息，包括幀序號、消息ID、數(shù)據(jù)字節(jié)等信息，方便用戶及開發(fā)者查詢和排故。裝訂記錄保存模塊主要將實際裝訂的參數(shù)、裝訂時間、操作者等信息記錄在結果文件(.txt文件)中，方便用戶查詢。

2.2 在線參數(shù)裝訂組件設計

在線參數(shù)裝訂組件作為上位機與下位機的接口程序，以LIB庫文件的形式嵌入在伺服控制驅動軟件中，獨立執(zhí)行DSP片內(nèi)FLASH參數(shù)裝訂區(qū)(Flash H扇區(qū))各種讀寫操作。組件使用DSP片內(nèi)eCAN-A模塊按照協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式與上位機軟件進行CAN總線通信，數(shù)據(jù)接收消息郵箱地址為MBOX2，消息ID為0x7CC，數(shù)據(jù)應答消息郵箱地址為MBOX3，消息ID為0x7DD。上位機發(fā)送的指令及控制器正常應答信息如表1所示，表1中的“/”，如果為發(fā)送數(shù)據(jù)，自動填充0；如果為接收，表示不需判斷該數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)字1為命令字，作為判斷數(shù)據(jù)幀傳輸是否正確及裝訂流程控制的依據(jù)。

在線參數(shù)裝訂組件主要由初始化、CAN總線消息處理、寫FLASH、讀FLASH、參數(shù)校驗等函數(shù)組成。初始化函數(shù)通過函數(shù)參數(shù)的方式配置接收和發(fā)送郵箱ID、數(shù)據(jù)長度DLC、消息方向等并使能郵箱。CAN總線消息處理函數(shù)為總線寫入?yún)?shù)的入口函數(shù)，判斷接收到消息的第一個數(shù)據(jù)字是否為正確的命令字，如果是則按照總線協(xié)議進行各種操作流程。寫FLASH函數(shù)首先調用 API函數(shù)Flash_Erase() 函數(shù)將 Flash H區(qū)中數(shù)據(jù)全部置為0xFFFF，再利用函數(shù)Flash_Program ()將緩存區(qū)的裝訂參數(shù)寫入 Flash H區(qū)，最后利用函數(shù)Flash_Verify()對寫入 Flash H區(qū)參數(shù)進行驗證[6]。讀FLASH函數(shù)通過函數(shù)參數(shù)的方式接收參數(shù)結構體的首地址和長度(字個數(shù))，讀取Flash參數(shù)區(qū)中的數(shù)據(jù)，并將指定長度的參數(shù)賦給參數(shù)結構體，供PMSM控制使用。參數(shù)校驗函數(shù)分別讀取雙冗余地址區(qū)中的參數(shù)并進行逐字比對，如果兩個區(qū)域中參數(shù)完全一致，則將參數(shù)返回到CAN總線上，供上位機軟件校驗使用，否則返回參數(shù)異常應答消息。在線參數(shù)裝訂組件軟件流程圖如圖3所示。

表1 在線參數(shù)裝訂協(xié)議

圖3 在線參數(shù)裝訂組件軟件流程圖

3 試驗結果

本文中的機電伺服系統(tǒng)采用“一拖二”控制方式，即一臺伺服控制驅動器控制2臺PMSM，涉及的控制參數(shù)共計96個，如果通過修改源代碼的方式修改控制參數(shù)，進行一次參數(shù)調整的時間大約需要10 min。采用本文的方法，發(fā)送握手信息并下載大約需要10 ms，發(fā)送參數(shù)數(shù)據(jù)大約需要2 s，將參數(shù)寫入FLASH大約需要8 s，上位機回讀參數(shù)并完成校驗大約需要2 s，完成一次參數(shù)調整的時間共計大約12 s，調整效率顯著提高，且無需開蓋通過JTEG口訪問DSP片內(nèi)資源，避免了對產(chǎn)品產(chǎn)生電氣損傷的風險。

4 結 語

本文利用CAN總線通信實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)控制參數(shù)的快速在線調整，通過上位機在線參數(shù)裝訂軟件與下位機參數(shù)裝訂組件的協(xié)同工作，在不對伺服控制驅動器開蓋操作的情況下，完成對伺服系統(tǒng)控制參數(shù)的在線裝訂及回讀校驗。試驗結果表明：該方法方便高效、可靠性高，為機電伺服系統(tǒng)在型號中的快速應用提供很好的解決方案。

[1] 蘇奎峰,蔡昭權.TMS320X281X DSP應用系統(tǒng)設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[2] 張卿杰,徐友,左楠,等.手把手教你學DSP-基于TMS320F28335[M].北京：北京航空航天大學出版社,2015.

[3] 明日科技.C#從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2014.

[4] National Instruments Inc.NI-XNET Hardware and Software Manual[Z].USA:National Instruments,2016：3.

[5] 基于FPGA設計的功能仿真和時序仿真[M].北京:清華大學出版社,2016.

[6] Texas Instruments Inc.TMS320F28335,28334,28332 Flash APIs Version 2.10[Z].USA:Texas Instruments,2008：8.

ParametersOnlineBindingMethodofServoSystemBasedonCANBus

LIUHai-shan,WANGHeng,DINGHuai-long,JIAOZhen,FANQian

(Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls,Beijing 100076，China)

Abstract:Electro-mechanical servo system with permanent magnet synchronous motor as the main actuator has to modify the control parameters frequently in order to realize the optimal control of the system. If the parameters are modified by modifying the source code, it will lead to many versions of the software, version control low efficiency, affecting the progress of development, especially in some special occasions preventing servo-controlled driver open cover (open the shell) operation, it will not be able to update the software or adjust the control parameters. A parameters online binding method of servo system based on CAN bus was presented. By using the CAN bus communication between the host computer and the digital signal processor, addressing and reading of the Flash and RAM resources of the digital signal processor write control were realized to complete the control parameters of servo system online binding and read back calibration. The practical engineering application proves that the method is convenient, efficient and reliable, and provides a good solution for quick application of electromechanical servo system.

Key words：CAN bus; permanent magnet synchronous motor (PMSM); servo system; online binding

中圖分類號：TM341；TM351

A

1004-7018(2018)05-0070-03

2018-02-26

作者簡介：劉海山(1982—)，男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為電力電子與電力傳動及嵌入式軟硬件開發(fā)。