基于 CAN 总线的分布式电机控制系统同步调度机制设计与实现

一、引言

在现代自动化系统中，多电机分布式控制系统成为常态。这些系统中，多个电机常常负责协同完成运输、同步驱动、物料传送、定位跟踪等任务。如何实现多个电机的精准同步控制与稳定实时通信，是系统性能与可靠性保障的关键。

CAN 总线以其高可靠性、实时性和抗干扰性，成为构建分布式电机控制系统的主流通信总线。

本篇文章围绕 基于 CAN 的分布式电机控制系统设计，讲解以下关键内容：

• 系统架构与功能需求

• 主从架构及 ID 编排

• 电机控制与状态反馈报文定义

• 同步调度机制（SYNC/周期性）

• 电机状态机与控制字解析

• 实战示例与调试策略

二、系统架构与设计目标

1. 应用场景

• 智能输送线（多电机同步输送托盘）

• AGV 编队调度（多车轮同驱）

• 协作机械臂（多关节联动）

• 包装/贴标/切割自动线（多轴同时定位）

2. 系统目标

三、系统通信结构与节点编址

1. 主从控制架构

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┌──────────────┐ │ 主 控 器 │ └────┬─────────┘ │ CAN 总线 ┌────────────┬─────┴─────┬────────────┐ ▼ ▼ ▼ ▼ 电机1 电机2 电机3 电机4（从节点）

• 主控器：通常为嵌入式主控板、工业PC或 PLC；

• 从节点：基于 STM32、DSP、CAN驱动电机控制器；

• 主控统一下发调度指令，从节点解析控制并执行。

2. CAN ID 编排建议（标准帧 11 位）

四、电机控制字与状态反馈设计

1. 控制帧格式

2. 状态反馈帧格式

3. 控制字设计建议

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#define CTRL_START 0x01 #define CTRL_STOP 0x02 #define CTRL_RESET 0x04 #define CTRL_HOME 0x08 #define CTRL_BRAKE 0x10

五、电机节点状态机与执行流程

电机节点内部控制逻辑建议使用状态机驱动：

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[BOOT] → [IDLE] ↓ ↑ [CONFIG MODE] ↓ [READY TO RUN] ↓ ↑ [RUNNING] ↓ [FAULT]

状态切换依据主控发来的控制字及电机自身检测结果（如过流、限位等）。

六、同步调度机制设计

1. 周期性同步触发（SYNC）

主控每 5~10ms 发送 SYNC 帧（CAN ID 0x080）：

• 所有电机节点收到后立即检查控制缓冲区是否有动作

• 如果存在 START 指令，则统一执行

• 可实现毫秒级同步动作，误差 < 1ms

2. PDO 模拟（非 CANopen 系统）

若未使用 CANopen，也可自定义同步帧 + 数据帧，如：

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// 同步帧 CAN_ID: 0x080 → Data: [0x00] // 主控立即发送 N 个目标电机控制帧 CAN_ID: 0x100, 0x101 ...

七、主控调度策略设计

主控可采用如下方式组织控制：

• 周期控制：每 10ms 向电机群下发速度指令

• 事件驱动：接收某电机状态回报（如已到位）后继续调度下一步

• 缓冲控制帧：提前下发下一目标状态，等待 SYNC 同步触发

主控示意流程如下：

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while(1) { process_feedback(); // 读取电机反馈帧 generate_control(); // 更新调度策略 send_sync(); // 发送 SYNC 帧触发 delay(10); }

八、电机节点软件框架设计（以 STM32 为例）

1. 初始化流程

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CAN_Init(); MotorDriver_Init(); ReadConfig_FromEEPROM();

2. 中断处理（接收控制帧）

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HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback() { Parse_CAN_Frame(); Update_Control_Buffer(); }

3. 主循环逻辑

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while(1) { if(SYNC_FLAG) { if(CONTROL_READY) Motor_Start(); // 执行控制命令 } Update_MotorStatus(); Send_Feedback(); }

九、案例实践：多电机同步定位系统

背景

构建一套 4 电机驱动的水平移动平台，要求：

• 4 台伺服电机同步启停

• 可设定目标位置坐标（编码器脉冲）

• 出现某一台报警，系统自动停止

实现方法

• 电机 ID：0x01~0x04

• 主控循环设定统一目标位置后发送配置帧

• 统一发 SYNC 帧触发电机运动

• 实时采集反馈帧，监控位置误差

• 加入 watchdog + 温度监控机制，超限立即停机

十、调试与故障排查建议

十一、总结与拓展方向

基于 CAN 的多电机同步控制具备以下优势：

• 成本低、可靠性高、布线简单

• 同步误差小，可达毫秒级

• 拓展性强，支持多种控制模式

• 结合主控策略可实现复杂调度逻辑

后续可拓展方向：

• 支持 CANopen 标准协议，兼容通用驱动器

• 引入时间同步协议（如 TTP/CAN FD）提高精度

• 配合以太网网关实现上位云监控

• 增加 AI 模型判断运动趋势进行预测控制