多軸伺服驅動數控系統，是一種完成復雜型體加工的數控設備伺服系統，采用的多軸協調方式是自動化程度最高、最為復雜的，具有非常豐富的動力學特征。它對各驅動軸軸之間的相互協調，提出了很高的要求。

　　數控設備的運動控制系統，是數控設備的心臟，決定數控設備性能的優劣。傳統的數控設備控制系統，多采用集中控制方案，通常由一臺計算機通過多塊A／D，D／A板與下層的伺服驅動器和傳感器連接通信。這樣的控制系統模塊繁多，模塊之問的連接復雜，依賴性強，降低了系統的開放性和可靠性，增加了功耗，難以完成十多個以致數十個軸的同步協調運動控制。

　　上世紀90年代以來，數字式伺服驅動器和現場總線技術的引入，為數控設備運動控制系統結構帶來了重大的變革，產生了利用數字通信的開放的分布式控制結構。當前，國外許多的多軸伺服系統的控制系統，都采用了分布式控制結構，它代表了數控設備控制系統發展的方向。

　　日本本田公司于1996年展示了一個仿人形的兩足行走機器人P2，1997年又推出了兩足行走機器人P3田。P2機器人的運動控制系統，采用的是集中式結構；而P3機器人采用的是分布式結構，使數控設備的體積和重量都大大減小了。P2機器人的計算機控制板與每個驅動軸驅動電機相連，需要650根連線，非常龐大；P3機器人數控設備的計算機放在相應的腿和臂上控制驅動軸運動，這些計算機像局域網一樣采用內部總線連接，連線的數量減少到了30根。由于連線和體積的減少，P3機器人的能耗只相當于P2的1／3，連接器和接觸器的數量也從2000多個減少到500個，大大提高了機器人的可靠性。由此實例可以看出，基于總線技術的分布式結構比傳統集的中式結構，更適用于數控設備的多軸運動控制系統。

　　現場總線技術(CAN)，是上世紀90年代以來興起的一種先進工業控制技術口)，它是一種全數字式、全開放、全分散式、可互操作的開放式互聯網絡的新一代控制系統，是通信技術、計算機技術和控制技術的綜合和集成，目前已成為世界上自動化技術的熱點之一。

　　CAN總線技術，解決了多節點通信的總線沖突問題，同時它所具有的完善的功能是RS485等串行總線無法比擬的。

　　CAN自誕生以來，以其獨特的設計思想、良好的功能特點和極高的可靠性，已經在許多行業獲得了廣泛的應用。

　　多軸伺服驅動數控系統，采用的多軸協調方式自動化程度最高，控制難度最大嘲，具有非常豐富的動力學特征。該系統對各驅動軸之間的相互協調，提出了很高的要求，主要是和各軸的伺服驅動器之間進行數據通信，涉及到了復雜的多軸同步協調運動控制刪。因此，對通信速率、確定性和實時性，都提出了很高的要求。同時還希望體積和功耗都盡量小，總線與上層計算機和下層驅動器的接口，最好是有現成的統一的標準，以方便設備的選用和連接。

1 CAN總線控制系統的結構

　　CAN是控制器局域網(Controller Area Network)的簡稱圈，是由德國的Bosch公司及數個半導體生產商開發出來的，從最初應用于汽車的檢測和控制，到后來逐步發展到其他工業部門。CAN總線，是目前已經被批準為國際標準的現場總線之一。CAN總線協議，遵守ISO／OSI模型，采用了其中的物理層、鏈路層和應用層3層結構。通信速率最高可達1Mbps(40 m)，連接的節點數可達110個，傳輸介質可以是雙絞線、光纖等。CAN總線有以下主要特點：

　　(1)信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾的概率低；

　　(2)每一幀信息都有CRC檢驗等措施，保證了數據出錯率低；

　　(3)可以采用點對點、一對多點以及全局廣播等幾種方式發送和接收數據，可實現全分布式多機系統，且無主從之分；

　　(4)采用非破壞的基于優先權的總線仲裁技術，由多主站依據優先權進行總線訪問；

　　(5)在發送期間若丟失仲裁或由于出錯而遭破壞的幀可自動重發送；

　　(6)可以判別暫時錯誤和永久性故障節點，并可故障節點自動脫離網絡。

　　系統由兩個S3C44BOX和兩條CAN總線網絡構成，分別控制多軸伺服驅動軸，兩臺S3C4480X之間通過以太網卡進行通信。對下層的每一個伺服節點(自由度)要設計一塊與CAN總線的接口電路板，來完成對該軸的角度和角度速度的閉環控制。該接口電路板帶有CAN總線通信控制器(PHILIPS82C200、SJAl000或INTEL82527等)、CAN控制器接口82C250、80C196KC單片和DA芯片等。

　　使用CAN總線的數控設備控制系統，采用模塊化的硬件組合，在硬件發生改變的情況下，僅僅改動與它相連的總線配置即可，現場總線可連接的設備類型和設備數目也相對較多。多軸伺服驅動數控系統，是一種完成復雜型體加工的數控設備伺服系統，它采用的多軸協調方式自動化程度最高，最為復雜，具有非常豐富的動力學特征。它對各驅動軸之間的相互協調提出了很高的要求。

2 系統通信的計算

　　對于多軸伺服驅動數控系統的運動控制系統來說，主要是和各軸的伺服驅動器之間進行數據通信，傳輸距離不大，但涉及到了復雜的多軸同步協調運動控制，因此對通信速率、確定性和實時性都提出了很高的要求。同時還希望體積和功耗都盡量小，總線與上層計算機和下層驅動器的接口，最好是有現成的統一的標準，以方便設備的選用和連接。前述CAN總線的特點，正好可以滿足要求，而且CAN總線的基本線路成熟，其下層的相關元器件和開發系統在市場上均容易找到，價格也能夠接受，這將會節省大量的硬件開發時間和經費。在綜合技術的先進性和實用性兩方面的考慮之后，我們選擇了CAN總線。

　　多軸伺服驅動數控系統下肢共15個自由度：其中腰部3個，髖驅動軸3個，膝驅動軸1個，踝驅動軸2個，采用國際上先進的基于現場總線和數字式伺服驅動器的分布式系統結構。在結構方案中，上位計算機選用兩臺嵌入式S3C44BOX(S3C4480X是嵌入式Pc的機械電器標準，它采用堆疊式模塊化結構，將各S3C44BOX功能塊疊在一起)，來完成數控設備運動的步態軌跡規劃、補償校正和各驅動軸的動作協調。系統由兩個S3C44BOX和兩條CAN總線網絡構成，分別控制多軸伺服驅動軸，兩臺S3C4480X之間，通過以太網卡進行通信。對下層的每一個伺服節點(自由度)要設計一塊與CAN總線的接口電路板，完成對軸的角度和角度速度的閉環控制。接口電路板帶有CAN總線通信控制器(PHIuPs82c200、SJAl000或INTEI．,82527等)、CAN控制器接口82C250、80C196KC單片和DA芯片等。該方案的整體結構如圖1所示。

　　通信的數據量估計：主控制器每次向每個控制接點發送3個數據(包括轉角、角速度、角加速度或轉矩)，每個控制節點向主控制器回送2個數據(包括轉角、角速度)，每次收發共5個數據，每個數據占2個字節(Bytes)，總共需要lO個字節。考慮到CAN總線的數據幀結構和幀間空間，保守的估計，每次發放的實際數據量是理論傳輸數據量的3倍；下肢CAN總線有15個控制節點，每隔20rim主控制器S3C44BOX與總線連接的各個節點要完成一次數據通信，50次／s，由上可以估算出數據傳輸的速度：

　　50X153 X5X2Bytea8Bits=180 kbps．

　　而CAN總線的最大數據傳輸速率可達1 M bps。完全能夠滿足實現多軸協調運動所需的數據傳輸要求。上位機與下層節點的通信采用中斷方式：上位機在每個控制周圍(20ms)的開始時刻，依次對下層的各個伺服節點進行數據發收交換；下層節點接在收到上層指令數據之后，發送采樣所得的返回數據給上位機，并由上層廣播發布的同步指令指揮同步執行。

3 結束語

　　(1)采用CAN總線不但大大減小了體積，節省了空間，而且和上位機S3C44BOX的連接也可采用S3c44Box的標準CAN控制卡模塊，從而提高了系統的集成度和可靠性。從長遠來看，隨著計算機網絡和電機驅動器技術的進一步發展，數控設備運動控制系統結構將會有更大的改進，其可靠性、開放性和集成度將大大提高。

　　(2)在硬件發生改變的情況下，僅僅改動與它相連的總線配置即可，增加或減少數控設備的自由度也非常方便，從而大大減少了系統硬件改動所需的時間。現場總線可連接的設備類型和設備數目也相對較多。

　　(3)在伺服驅動器進行位置環控制的同時，上層計算機還可以通過總線獲得驅動軸角度反饋信息。上位機既能對下層驅動軸角伺服回路進行開環協調控制，又能進行位置補償，實現閉環控制。