基于MODBUS总线伺服电机运动控制方案

　　引言

　　现代工业自动控制系统朝智能化、网络化和开放式结构的方向发展。利用现场总线技 术，将符合同一标准的各种智能设备统一起来，彻底实现整个监测系统的分散控制，将提高系统集成度和数据传输效率、延长有效控制距离，并有利于提高系统抗干 扰性能和扩展系统功能。在运动控制中，伺服电机以其响应速度快，控制精准等优点以被更多的客户所选用。如果把总线通信与伺服控制技术统一起来，将推动运动控制技术以及设备远程监控技术的发展。MODBUS作为一种通用的现场总线，已经得到很广泛的应用，很多厂商PLC、智能I/O与A/D模块具备MODBUS通讯接口。本文在阐述MODBUS通信协议的基础上，构建了基于MODBUS的伺服电机运动控制。

　　1 MODBUS总线控系统的技术特征

　　MODBUS通讯协议是一种工业现场总线通讯协议，它定义的是一种设备控制器可以识别和使用的信息帧结构，独立于物理层介质，可以承载于多种网络类型 中。MODBUS协议把通信参与者规定为“主站”（Master）和“从站”（Slave），数据和信息的通信遵从主/从模式，当它应用于标准 MODBUS网络时，信息被直接传送。MODBUS总线网络中的各个智能设备通过异步串行总线连接起来，只允许一个控制器作为主站，其余智能设备作为从 站。采用命令/应答的通信方式，主站发出请求，从站应答请求并送回数据或状态信息，从站不能够自己发送信息。MODBUS协议定义的各种信息帧格式，描述 了主站控制器访问从站设备的过程，规定从站怎样做出应答响应，以及检查和报告传输错误等。网络中的每个从设备都必须分配给一个唯一的地址，只有符合地址要 求的从设备才会响应主设备发出的命令。

　　由于MODBUS总线系统开发成本低，简单易用，并且现在已有很多工控器、PLC、显示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已经成为一种公认的通信标准。通过MODBUS总线，可以很方便地将不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进行集中监控。

　　MODBUS最初为PLC通信而设计，它通过24种总线命令实现PLC与外界的信息交换。这些总线命令对应的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的数据传送。但不是很多MODBUS设备的控制只使用其中的几条命令，对其余命令不做反应。

　　1.1 MODBUS通信格式

　　MODBUS协议定义了两种传输模式，即RTU（Remote Terminal Unit）和ASCII。在RTU模式中，1字节的信息作为一个8位字符被发送，而在ASCII模式中则作为两个ASCII字符被发送，如发送字符 “20”时，采用RTU模式时为“00100000”，然而采用ASCII模式则成为“00110010”＋“00110000”（ASCII字符的 “2”和“0”）。可见，发送同样的数据时，RTU模式的效率大约为ASCII模式的两倍。一般来说，数据量少而且主要是文本时采用ASCII；通信数据 量大而且是二进制数值时，多采用RTU模式。

　　

　　主站一次可向一个或所有从站发送通信请求（或指令），主设备通过消息帧的地址域来选通从设备。主站发送的消息帧的内容和顺序为：从站地址、功能码、 数据域（数据起始地址、数据量、数据内容）、CRC校验码；从站应答的信息内容和顺序与主站信息帧基本相同。MODBUS除了定义通信功能码之外，同时还 定义了出错码，标志出错信息。主站接收到错误码后，根据错误的原因采取相应的措施。从站应答的数据内容依据功能码进行响应，例如功能代码03要求读取从站 设备中保持寄存器的内容。

　　MODBUS部分功能码

　　

　　1.2 CRC校验的实现

　　MODBUS通信的RTU模式中，规定信息帧的最后两个字节用于传递CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）码。发送方将信息帧中地址域、功能码、数据域的所有字节按规定的方式进行位移并进行XOR（异或）计算，即可得到2字节的 CRC码，并把包含CRC校验码的信息帧作为一连续的流进行传输。接收方在收到该信息帧时按同样的方式进行计算，并将结果同收到的CRC码的双字节比较， 如果一致就认为通信正确，否则认为通信有误，从站将发送CRC错误应答。

　　RTU模式一般采用CRC-16冗余校验方法，CRC-16的 校验码为16位（2字节），其中低字节在前，高字节在后。实现CRC校验有两种方法：根据CRC校验的定义公式进行计算，或者在程序中建立CRC校验值 表。在程序中使用前者更容易实现，这里需要使用CRC生成多项式X16＋X15＋X2＋1。该多项式对应的码组系数为18005H（16进制），去除最高 位，对应的16位余数为8005H，即为CRC-16常数。CRC-16校验过程如下：将CRC寄存器的每一位预置为1；把该寄存器值与8bit的信息帧 数据进行异或，结果存于该寄存器；对CRC寄存器从高到低进行移位，在最高位（MSB）的位置补零，而最低位（LSB，移位后已经被移出CRC寄存器）如 果为1，则把寄存器与CRC-16常数进行异或，否则如果LSB为零，则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次，第一个8bit数据处理完毕，用此 时寄存器的值与下一个8bit数据异或并进行如前一样的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC值。CRC添加到消息中时，先 加入低字节，然后高字节。

　　1.3 链路特征

　　MODBUS标准的物理层可以采用RS-232串行通信方式，但在长距离 通信中常采用RS-422或RS-485代替。在多点通信情况下只采用RS-485方式，所以RTU模式下的MODBUS系统采用屏蔽双绞线，通信距离可 达1000m。一条总线上最多可配置31个从站设备。传输线上的信息交换是半双工的，即同时只能有一台设备允许发送信息，主站在发送下一条指令之前等待从 站回应，从而避免了线路的冲突。

　　RTU模式的传输格式是1个数据位，2个停止位，没有奇偶校验位。通信数据安全由控制参数CRC-16 码保证。RTU接收设备依靠接收字符间经过的时间判断一帧的开始，如果经过3个半的字符时间后仍然没有新的字符或者没有完成帧，接收设备就会放弃该帧，并 设下一个字符为新一帧的开始。

　　2 松下PLC MODBUS控制的实现

　　松下PLC支持modbus协议，只需要在选项、PLC系统寄存器设置、COM1口设置中站号设成1，通讯模式设为MODBUS RTU，通讯速率和通讯格式与05驱动器的设置保持一致。设置完成后可通过F145 SEND指令实现与05的通讯。

　　

　　3 施耐德05A伺服驱动器的配置

　　首先过驱动器的HMI面板把控制方式设为modbus模式，把波特率、通讯格式设置成与PLC一致。