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

本发明专利技术公开了一种基于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系统中，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系统成本低，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，本发明专利技术设计了位置补偿和重构算法，为多轴同步伺服系统提供了一种高性价比解决方案，具有重要的应用价值。值。值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CANBUS总线的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法


[0001]本专利技术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系统中，实现主轴与从轴之间运动同步的控制方法。

技术介绍

[0002]如图1所示，一个典型的多轴同步运动控制系统由多个伺服单元、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。
[0003]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系统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，严重时可导致系统无法正常运行。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系统，无法实现点对点的信息传输。
[0004]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总线的多轴同步系统来解决上述问题。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，为多轴同步伺服系统提供一种高性价比解决方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术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，应用于伺服系统的多轴同步运动控制系统，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系统包含一个上位机、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。
[0006]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。
[0007]本专利技术提供的基于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：
[0008](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系统时钟频率和对称式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；
[0009](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；
[0010](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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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：
[0015]表1主轴Canbus发送数据域
[0016][0017]其中：
[0018]V：为主轴的当前速度Speed；
[0019]P：为主轴的当前位置Position；
[0020]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；
[0021]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。
[0022]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：
[0023](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)；
[0024](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)；
[0025][0026]其中：表示第k个周期从轴的给定位置；
[0027]P
Master
是从轴通过CANBUS接收到的主轴位置；
[0028]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；
[0029](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)；
[0030][0031]其中：表示第k个周期从轴的给定位置；
[0032]表示上一个周期从轴的给定位置；
[0033]P
comp
(k)是计算的位置补偿量，T
s
是插补周期，T
d
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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系统时钟频率和对称式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。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。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马风力，孙志锋，
申请(专利权)人：杭州力超智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：