专利名称：一种基于以太网和can总线的教学用多轴分布式控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种教学用交流伺服控制系统，尤其是一种可实现远程和多轴控制的教学用交流伺服系统，具体地说是一种基于以太网和CAN总线的教学用多轴分布式控制系统。
背景技术：
目前，随着计算机软硬件技术以及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为自动化及计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。而工业现场控制或生产自动化领域中需要使用越来越多的传感器、执行器和控制器等，它们通常分布在非常广的范围内。传统的基于串行通信的标准如RS一232和RS一485存在着冲突无法解决、可靠性差、速度低等缺点，而且容易受到电气的干扰，当通信距离长时会出现传送的信号发生错误的现象，无法满足工业现场数据较远距离和较高速度传送的要求。所以在底层通信上确实需要一种造价低、可靠性高的适合工业环境使用的通信网络，现场总线的出现就正好满足了工业控制系统在通信方面的需要。
现场总线是应用在生产现场的，在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信的数字通信系统。现场总线把通用或专用的微处理器，嵌入传统的测量控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力，采用一定的媒体作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成适应实际需要的自动化控制系统。
控制器局域网(CAN，Controller Area Network)属于现场总线技术范畴，简称CAN总线。它最早用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通讯，由德国Bosch公司提出，是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络，由于其高性能、高可靠性、实时性好及其独特的设计，已广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信，已在工控领域兴起应用热潮。
CAN总线是一种典型的串行总线的结构形式，以半双工的方式工作，采用基于数据的传输方式，消息可以在任何时候由任何节点发送到空闲的总线上，并被其他所有节点接受、判断后决定是否应用这个消息。其物理层可以使用双绞线，符合ISO11898标准，其数据链路层采用了具有优先级控制的载波帧听及碰撞监测机制((CSMA/CD)。
CAN总线的主要特点1)CAN总线的通讯速率为1Mbp s/40m和5Kbps/10km，节点数可达110个，传输介质为双绞线或光纤；2)CAN可实现全分布式多机系统，且无主从机之分，每个节点均可在任何时刻主动向网络上的其他节点发送信息，可采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送数据；3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术，将节点信息分为不同的优先级，可满足不同的实时要求；4)CAN总线的文报采用短帧结构，每帧信息都有CRC校验以及其他检错措施，使数据出错率极低，平均误码率小于10-3，可靠性极高；5)当节点出现错误严重时，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，可使总线上的其它操作不受影响；6)CAN总线的成本低，仅为宽令牌总线(如MAP)的几十分之一。在CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理(包括位填充，数据块编码，循环冗余检验，优先级判别等)。
CAN总线有CAN2.OA和CAN2.0B两种通信协议。CAN协议的一个最大特点是对通信数据进行编码(取消了传统的对站地址编码)。数据块标识符可由11位(CAN2.OA)或29位(CAN2.0B)二进制组成，最多可定义211或219个数据块，从而使网络节点数在理论上不受限制。这种按数据块编码的方式还可使不同的节点同时接受相同的数据。这一点给分布式控制系统中实现模块间的数据和控制信息共享带来了极大方便。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。
利用CAN总线技术的分布式控制技术可以将处理信息和产生控制信号的任务分配给各个节点上的微处理器通过现场总线的数据总线连接即可完成对整个系统的控制。这样做可以极大的简化控制设备，减少系统的复杂性，降低成本，并且可以提高系统的稳定性和柔性。据申请人所知，目前尚无一种结合了以太网和CAN总线技术的可供学生实验用的多轴交流伺服系统问世，以致于学生缺乏具体的概念。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种适合于教学使用的，有利于提高学生动手能力，便于他们理解基于以太网和CAN总线的教学用多轴分布式控制系统。
本实用新型的技术方案是一种基于以太网和CAN总线的教学用多轴分布式控制系统，包括上位计算机1、多轴运动控制器2、交流伺服驱动器3和交流伺服电机4，其特征是多轴运动控制器2通过以太网或局域网与上位计算机1相连，交流伺服驱动器3之间以及交流伺服驱动器与运动控制器2之间通过CAN总线相连，交流伺服驱动器3的输出与交流伺服电机4相连。
为保证信号传输的准确性，考虑到信号衰减因素，每个多轴运动控制器2的每个端口连接的交流伺服驱动器3的数量以不多于60个为宜，理论上CAN节点可以到110个，多轴运动控制器上带有2个端口，完全可以满足理论要求。
本实用新型具有以下优点1、解决了高校实验课的急需，有利于增强学会的感性认识，提高他们的动手能力，提高学习兴趣。
2、改变了学生过去的现场控制的概念，有利于拓展视野。
3、不仅适用于高等学校机电一体化，电子电器，电器自动化专业生产实习、课程设计的实验研究，可作为电机类本科生及研究生的开放性试验平台，为其认识和掌握现代交流调速及伺服系统奠定必要的基础，而且可直接运用于数码雕刻、包装机械、模具生产等工业生产应用场合。它构成了一个远程控制的伺服控制系统，通过微机编程，可进行多自由度、多机协调控制，实现高速、高进度、低震动等伺服特性，还可用于机器人控制、柔性制造业等领域。
4、可实现远程控制、维修、诊断等，节约运行成本。
图1是本实用新型的结构框图。
图2是利用本实用新型原理实现的一个交流伺服驱动系统体系结构示意图。
具体实施方式
下面结构附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示。
一种基于以太网和CAN总线的教学用多轴分布式控制系统，包括上位计算机1(可采用奔四以上的计算机)以及安装在上位计算机1中的普通网络通讯卡(10/100M)、多轴运动控制器2(型号可为MAS-10048-2C)、交流伺服驱动器3(型号可为BAS-3/230-4)和普通交流伺服电机4(可根据被驱动对象加以确定)，运动控制器2通过以太网或局域网与上位计算机1相连，交流伺服驱动器3之间以及交流伺服驱动器与运动控制器2之间通过CAN总线相连，交流伺服驱动器3的输出与交流伺服电机4相连。其中每个运动控制器2连接的交流伺服驱动器3的数量以不多于60个为宜。
该运动控制系统通过集中控制器(多轴运动控制器2)分别实现以太网和CAN总线控制。运动控制器与上位计算机1的通讯是通过TCP/IP协议构成以太网。运动控制器2可以作为一台小型的PC电脑，具有自主式控制系统，同时它可以作为网关，通过TCP/IP与网络上的电脑相互访问，实现远程网络控制，不仅如此，运载控制器2还具有运动控制板卡的功能，它集成了CAN总线接口、RS232接口，可以实现多种控制方式。
图2是本实用新型的一个具体应用例。其中的嵌入式透明网关即为多轴运动控制器2。整个系统由PC机、基于PC的以太网信息管理终端、嵌入式透明网关(运动控制器)、交流伺服电机和具有CAN总线接口的交流伺服驱动器组成。其核心部分是嵌入式透明网关(运动控制器)和带有CAN总线接口的全数字交流伺服驱动器。CAN总线是一个设备互连总线型控制网络，在CAN总线上可以挂接多达110个设备节点，各设备间可以自主相互通信，实现复杂网络控制系统。但设备信息层无法直接到达信息管理层，要想设备信息进入信息管理层需通过数据网关，嵌入式透明网关就是为此而设计的。
本实用新型的基于以太网和CAN总线的实验平台可用于CAN总线基础实验、远程控制实验等一系列实验。各项实验并不只是让学生照着实验指导书操作的验证性实验，而是将各项实验分为基本实验、扩展实验、创新实验三个层次。基本实验要求学生了解实验的原理和过程，能独立完成实验指导书上要求的验证实验；扩展实验则是在基本实验的基础上掌握实验软件的流程，熟悉完成本实验的功能函数；而创新实验是在前两个实验的基础上，为了充分挖掘实验的潜力和培养学生的创新能力而开发的，要求学生针对实验软件自身的不足，通过修改程序代码来改进实验软件。
下面通过CAN总线远程控制实验来具体说明本实验平台的教学设计。首先，学生通过实验软件完成实验指导书上要求的验证性的实验，并同时了解实验的原理和过程。例如学生可以通过本地计算机完成远程控制CAN控制器ID＝004的伺服电机顺时针旋转规定转数的实验，控制ID＝001号和ID＝002号的伺服电机协同工作画重复圆的实验。学生要先在实验指导书上查阅到控制伺服电机的控制命令，然后自己按照实验的要求得到控制命令，再按照实验步骤发送控制命令，最后在ID＝004号计算机终端验证实验完成的正确性。
然后，学生通过实验指导教师的讲授掌握实验软件的流程并熟悉完成本实验的功能函数，在软件编译环境下阅读软件代码，为下一步的创新实验打下基础。例如了解程序通过判断函数SwitchMes-sage(AnsiString str)来实现控制命令类型的判断时，学生便要通过老师的讲解知道此函数的实现总体上分两步首先，根据数据缓冲区中的数据判断是哪一种控制命令，然后，根据控制命令中所含数字信息去控制远端实验对象。接下来，学生便要找到此函数对应的代码了解其具体实现。
最后，学生可以对实验指导书上列举的实验软件的不足部分或者自己在操作实验中所发现的实验软件的问题进行改进。例如软件中没有开发数控G代码，学生可以在学习了伺服电机的远程控制代码的基础上，尝试完成新功能的实现。这部分实验相对难度较大，学生可以多人组成团队并在实验老师的指导下完成。
权利要求1.一种基于以太网和CAN总线的教学用多轴分布式控制系统，包括上位计算机(1)、多轴运动控制器(2)、交流伺服驱动器(3)和交流伺服电机(4)，其特征是多轴运动控制器(2)通过以太网或局域网与上位计算机(1)相连，交流伺服驱动器(3)之间以及交流伺服驱动器与多轴运动控制器(2)之间通过CAN总线相连，交流伺服驱动器(3)的输出与交流伺服电机(4)相连。
2.根据权利要求1所述的基于以太网和CAN总线的教学用多轴分布式控制系统，其特征是所述的每个运动控制器(2)连接的交流伺服驱动器(3)的数量不多于60个。
专利摘要本实用新型公开了一种基于以太网和CAN总线的教学用多轴分布式控制系统，包括上位计算机(1)、运动控制器(2)、交流伺服驱动器(3)和交流伺服电机(4)，其特征是运动控制器(2)通过以太网或局域网与上位计算机(1)相连，交流伺服驱动器(3)之间以及交流伺服驱动器与运动控制器(2)之间通过CAN总线相连，交流伺服驱动器(3)的输出与交流伺服电机(4)相连。有利于增强学生的感性认识和动手能力，且可用于实际工业生产中。
文档编号H04L12/407GK2927526SQ20062007190
公开日2007年7月25日 申请日期2006年5月25日 优先权日2006年5月25日
发明者舒志兵, 严彩忠 申请人:南京工业大学