基于DSP和CAN总线的分布式伺服系统
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伺服系统(servo system)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。在实际应用中一般以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，一般其内部包括转矩(电流)、速度和/或位置闭环。其工作原理简单的说就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的pid调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。
图1 一个传统伺服机构系统的组成
一个传统伺服机构系统的组成如图1所示，伺服驱动器主要包含功率放大器与伺服控制器，伺服控制器通常包含速度控制器与扭矩控制器，马达通常提供成比例的速度回馈信号，控制界面采用±10V的比例信号，经过外回路的比例命令，可直接控制马达的转速或扭矩。采用这种伺服驱动器，通常必须再加上一个位置控制器(position controller)，才能完成位置控制。 
图2 现代伺服机构系统的组成
图2所示是一个现代的伺服机构系统结构图，其中的伺服驱动器包含了伺服控制器与功率放大器，伺服马达提供解析度的光电编码器反馈信号。
随着网络通讯技术的进步，采用实时网络通讯技术的伺服系统也随之发展，图3所示是利用SERCOS实时通讯网络技术(real-time work munication)所发展的网络控制分布式伺服系统，目前已有多种采用不同通讯协议的分布式运动控制系统，如SERCOS、Real-Time Ether、Real-Time CAN bus。应用高速网络技术于分布式伺服系统有许多优点，比如更灵活的系统应用、更佳的系统整合控制效果等等。
随着高性能微处理器、数字信号处理器的发展，数字伺服控制技术已成为工业伺服系统的主流。全数字伺服系统一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。系统硬件大致由以下几部分组成:电源单元;功率逆变和保护单元;检测器单元;数字控制器单元;接口单元。相对应伺服系统由外到内的“位置”、“速度”、“转矩”三个闭环，伺服系统一般分为三种控制方式。在使用位置控制方式时，伺服完成所有的三个闭环的控制。在使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩(电流)两个闭环的控制。一般来讲，需要位置控制的系统，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式，只是上位机的处理不同。另外，有人认为位置控制方式容易受到干扰。而扭矩控制方式是伺服系统只进行扭矩的闭环控制，即电流控制，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，多用在单一的扭矩控制场合，比如在小角度裁断机中，一个电机用速度或位置控制方式，用来向前传送材料，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力。 
图4 数字马达控制技术的演进
图4中(a)，(b)，(c)分别表示了随着微电子技术的发展数字马达控制技术的三个不同阶段:
图4(a)表示采用数字逻辑芯片加上模拟芯片的输出来完成马达的控制，图4(b)表示采用微控制器(单片机)加上外围的模拟器件来完成马达的数字控制，图4(c)所示的数字马达控制技术采用单个DSP电路来完成。
从图4中可以看到，数字马达的控制电路是越来越简单，功能却是越来越强。
基于CAN总线的分布式伺服系统
多电机伺服控制广泛应用于各种电力传动自动控制系统中，如配料、传动等生产过程。伺服系统中电机控制性能和多电机间协调控制的好坏直接影响生产过程的质量，如何高效管理、方便应用、实时控制是多电机伺服系统生产领域亟待解决的首要问题。
现场总线技术解决了传统总线插板I/O模块多，干扰严重、系统软件编写复杂、系统硬件兼容性差等问题。大大减轻了现场信号连接的繁琐与费用，提高了信号传输的精度与灵活性，给安装、调试和维护带来诸多方便，为现场用户带来巨大的经济效益，代表着自动化领域发展的一个重要方向。
DSP
DSP可视为一个具有强大计算能力的微处理器，但凡微处理器可以应用的场合，如需要更快速的计算能力，可考虑使用DSP。但值得注意的是，微控制器(microcontroller)已广泛应用于工业控制领域，其关鍵主要在于完整的I/O界面，而一般的DSP并不具备这些功能。但近年来，已发展出特別针对伺服马达控制的单芯片DSP控制器，例如德州仪器的TMS320F24xx、TMS320F2812等等，不仅计算性能强大、具备马达控制所需要的I/O界面，同时价格也相当便宜，因此直接带动了以DSP为核心的DSP数字马达控制技术的发展。
CAN总线
随着工业现场控制和自动化技术的不断进步，传统的通信模式已不能满足现代工程需要。CAN(Controller Area work)总线是80年代初德国Bosch公司为解决现代汽车中众多控制与测试仪器间数据交换而开发的一种串行数据通信协议，是一种性能先进、价格低廉、保密性好的现场总线(Field Bus)技术，能够有效支持分布式控制或实时控制串行通信网络。CAN总线中各节点都有权利向其它节点发送信息。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，主要技术特点有:
是一种多主总线:网络上任一个节点均可在任意时刻主动向网络上其它节点发送信息，多主站依据优先机制进行总线访问;
非破坏性基于优先权总线仲裁技术:采用非破坏性基于优先权总线仲裁技术结构，大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好性能;
具有多种传送数据功能:具有点对点，一点对多点(成组)及全局广播传送数据功能;
节点数目多:直接通讯距离最远可达10km(传输速率为5kbps)，最高通讯速率可达1Mbps(传输距离为40m);
可靠性高:数据链路层采用短帧结构，实时性高，纠错效果好，每帧信息都有CRC校验及其它校验措施，数据出错率低，可靠性高;
故障自动判别:发送期间若丢失仲裁或因出错而遭破坏的帧可自动重发，暂时错误和永久性故障节点判别及故障节点自动脱离CAN总线。
CAN总线系统由CAN网络节点、转发器节点和上位机构成。总线技术遵循现场总线协议，将分布在不同位置，用途各异的测量仪表、控制设备互联成网，并可接入Intra和Inter网络。现场总线技术的关键标志是它能支持双向多变量、总线式全数字通讯。传统4～20mA模拟直流回路只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数，随着系统结构的日益复杂和信息量的增加，4～20mA电流环传输成为制约信息传输的瓶颈，所以现场总线替代4～20mA模拟信号标准已成为控制系统发展的必然趋势。 
图5 CAN总线网络结构
系统结构
基于CAN总线技术的多电机伺服控制系统网络结构如图5所示，系统由上位机、CAN总线、现场伺服单元节点组成。数控系统上位机通过CAN总线控制网络节点任一伺服单元，数字伺服与数控系统之间数据传输可分为实时性数据信息和非实时性数据信息两类。实时性数据指参与控制器实时位置、速度、转矩等控制指令和反馈信息，传输速度要求较高。非实时性数据主要是指控制器参数设置、功能设定、诊断功能、伺服状态与报警等信息，传输速度相对较低。
CAN接口适配器是上位机与伺服单元数据传输和控制的桥梁，伺服单元采集现场的数据通过总线传给上位机，实现实时监视和控制。 
图6 CAN驱动器接口电路
硬件结构
数控系统上位机采用研华公司PCL-841卡实现CAN总线通讯，伺服驱动系统采用TI公司TMS320片内CAN控制器。该控制器全面兼容CAN2.0B协议，具有标准和扩展标识符，有数据帧和远程帧，片内CAN总线控制器与CAN物理总线接口采用82C250驱动器芯片。82C250采用阻抗为120Ω双绞线作通讯介质，信号采用差动接收和发送模式，抗干扰能力强，最高通讯速率可达1Mbps。有三种不同工作方式:高速、斜率控制和待机。本系统采用斜率控制，以降低射频干扰。为了增加抗干扰能力，保护CAN控制器，在TMS320与82C250之间加高速光电隔离器，电路如图6所示。图7是以DSP为核心的伺服系统解决方案。图8是DSP数字伺服驱动器的硬件电路图(TI Application Note) 。
软件设计
CAN总线网络控制软件包括网络应用层协议、节点功能流程和编码等的配置和设计。 
图9 CAN总线通讯程序流程
程序框图如图9所示。通讯软件可以采用查询方式或中断方式，主要包括CAN控制器初始化程序、接收邮箱与发送邮箱设置、发送程序、接收程序。
发送程序只需要设定发送控制寄存器相应位;接收程序要完成:
读取已接收的邮箱标识符格式;
读取接收的标识符;
读取接收的数据长度;
读取接收的数据值。
上位机通过适配器与CAN总线连接，用Delphi编写上位机软件，并定义上位机作为局域网操作服务器，用户通过它可以对各个伺服单元进行操作。
结语
CAN总线具有良好的网络通信功能、高可靠性、抗干扰能力强且经济实用，是一种很有前途的现场总线技术。它的应用将为分布式伺服系统提供一种新的解决方案，会受到人们越来越多的重视。新一代的智能数字伺服系统通过DSP和CAN总线与开放式数控系统互联，是分布式伺服系统发展的一个有前途方向。