CANopen協議在伺服電機控制系統中的實現

基于現場總線的網絡技術的研究是自動化領域發(fā)展的一個熱點，canopen協議是目前流行于歐洲的基于can總線應用層的標準協議，對工程設計者來說，研究現場總線的核心任務就是對控制節(jié)點進行開發(fā)，本文就是通過實現伺服電機控制模塊的canopen為協議，說明一個基于canopen協議的控制網絡的組態(tài)。

伺服電機控制器在自動控制領域里有著廣泛的應用，如紡織機械和印刷機等，為了得到理想的速控效果，伺服電機模塊除了要在分辨率、線性程度以及轉換速率上達到一定的要求外，還應具有良好的在線可控性和實時在線狀態(tài)檢測功能，為此，利用can總線高層通信協議canopen，結合陜西省教育廳“并條機自調勻整”項目對伺服電機控制模塊參數的要求，開發(fā)了一個具有硬件可重用性、軟件可重配置特點的伺服電機控制模塊。

1 canopen協議概述[1－2]

canopen協議是由cia協會針對can協議的不完整性而定義出的一個更高層次的協議——應用層協議。一個canopen設備模塊可分為3部分，如圖1所示，通信接口和協議軟件用于提供在總線上收發(fā)通信對象的服務，不同canopen設備間的通信是通過交換通信對象來完成的。這一部分直接面向can控制器進行操作，對象字典描述了設備使用的所有數據類型、通信對象和應用對象，對象字典位于通信程序和應用程序之間，用于向應用程序提供接口，應用程序對對象字典進行操作，即可實現canopen通信。它包括功能部分和通信部分，通信部分通過對對象字典進行操作實現canopen通信，而功能部分則根據應用要求來實現。

在canopen網絡系統中每個節(jié)點都有唯一的一個對象字典，而且每個節(jié)點的對象字典都具有相同的結構，但具體的內容要根據不同的設備而定，包含了描述該設備及其網絡行為的所有參數，canopen協議還定義了4種報文（通信對象），用于對不同作用的信息進行處理，分別為管理報文（nmt）、服務數據對象（sdo），過程數據對象（pdo）和預定義報文或特殊功能對象。具體的canopen協議內容可參考相關文檔。

2 伺服電機模塊的硬件實現

伺服電機模塊應用microchip公司生產的帶有can總線功能模塊的主頻為40m赫茲的pic18f258單片機進行控制[3]。根據并條機自調勻整系統對伺服電機的要求（9v－3000r/min，即3mv－1r/min），以及從總線上以1ms為周期發(fā)送來的d/a轉速控制數據，使用adi公司的12位ad7243芯片進行d/a轉換，它具有300k赫茲轉換速率，3種可選擇的輸出電壓，分別是0～＋10v、0～＋5v和－5～＋5v，采用串行端口通信。

圖2為硬件電路簡圖，根據系統需求，設置ad7243電壓輸出為±5v，將ad7243芯片的rofs引腳與refin引腳相連實現，在ad7243的輸出端接有op07運算放大器，用于調整輸出電壓到±10v，以控制電機正反方向和調節(jié)轉速，圖中繼電器fdll4148用于控制電機的啟動和停止，光耦tl521用于對伺服電機狀態(tài)采集時的隔離器，為實時了解伺服電機運行狀態(tài)，根據canopen協議分別設計了用于指示系統當前狀態(tài)和錯誤的led（綠色和紅色）指示燈。j1為與伺服控制器的接口插件。

圖2中，在op07上接有調節(jié)零輸出偏置電壓的可調電位器r3；用adum1100高速數字隔離器代替?zhèn)鹘y的光電耦合器，以降低功耗，提供精確的信號，mcp2551是一種可容錯的高速can收發(fā)器，具有差分發(fā)射和接收能力，可將許多節(jié)點與同一網絡相連接并采用非屏蔽線部署網絡，從而降低系統成本。

3 伺服電機模塊的canopen協議實現

（1）canopen協議實現

伺服電機模塊在canopen網絡中作為從節(jié)點發(fā)揮作用，完成屬于自己范圍內的特定任務，進行實時數據傳輸，并對其負責的底層設備進行數據采集和控制，在實現canopen協議之前，必須先了解它在網絡中的具體功能：通過can總線接收控制伺服電機的數據（包括轉速控制、啟動和停止），采樣伺服ready信號和電機當前狀態(tài)回送到can總線。

canopen協議的核心內容是對象字典，完成各種機器canopen協議通信的實質是在對象字典的基礎上進行操作，通過映射的關系實現對各種報文數據的處理，根據伺服電機模塊的功能并結合canopen協議各類報文的特征，定義了如表1和表2所列的屬性。

表1和表2定義的sdo報文和pdo報文分別用于讀/寫對象字典和傳送實時數據，pdo報文映射參數子索引的內容代表pdo報文中各字節(jié)的用途，比如：rxpdo報文映射參數子索引0x64110110l指對象字典索引0x6411和子索引0x01，占16位的數據內容，即控制電機轉速數據，此外，系統還定義了一個接收nmt報文，用于實現主節(jié)點對從結點的組態(tài)；一個 heartbeat（心跳）報文，以5000ms為周期發(fā)送，使主節(jié)點實時監(jiān)測從節(jié)點狀態(tài)并在發(fā)生錯誤時及時進行處理。

除了上述用于實現伺服電機模塊預定義功能的報文外，還根據canopen協議的指示燈規(guī)范設計了狀態(tài)（綠色）和錯誤（紅色）指示燈，通過定時器周期性地檢查can總線狀態(tài)寄存器和canopen通信狀態(tài)標志，設置指示燈的常亮、閃亮和閃爍等狀態(tài)，可使用戶直觀地判斷當前機器所處的狀態(tài)，從而提高工作效率，具體的canopen協議和指示燈規(guī)范可以參考相關文檔[4]。

伺服電機控制模塊的設計是基于canopen協議對象字典的模塊化設計，它可以方便地進行功能擴展，只須修改對象字典中報文映射參數，添加相應的功能模塊即可實現。與以往的基于can數據傳送協議相比，大大提出了系統效率，節(jié)約了有限的硬件資源，為功能的擴展和用途的延伸提供了方便。

（2）應用程序流程

伺服電機模塊上電以后，根據canopen協議從節(jié)點的性質，系統在進行完初始化參數配置后，發(fā)送boot－up報文通知主節(jié)點已進入預操作（preoperational）狀態(tài)，并在主循環(huán)中等待各種類型中斷的到來，在預操作狀態(tài)中，可接收主節(jié)點的sdo報文讀/寫對象字典。比如當無法使da零點輸出偏置電壓達到標準值時，可以通過修改對象字典的電壓偏置值相來進行調整。nmt報文也可在預操作狀態(tài)中接收，用于改變節(jié)點狀態(tài)，進入伺服電機模塊實時傳輸pdo報文的操作（operational）狀態(tài)，開始系統的正常工作，一旦系統進入預操作狀態(tài)，就會以5000ms為周期發(fā)送heartbeat報文使主節(jié)點實時監(jiān)控伺服電機模塊的狀態(tài)，當從節(jié)點發(fā)生錯誤時主節(jié)點就可以立刻采取措施，實現實時在線監(jiān)控的功能，圖3為中斷程序流程圖。

（3）基于pic18f258微控制器的郵箱動態(tài)分配的實現

郵箱動態(tài)分配的任務是在不固定某個郵箱具體特性的同時，實現對郵箱中報文作用的判斷，通過郵箱的動態(tài)分配，可以節(jié)約系統資源，提高軟件靈活性，便于今后系統擴展。

在系統初始化過程中，實現了郵箱的動態(tài)分配，具體方法是：pic18f258微控制器具有2個接收緩沖器和6個接收濾波器，其中：接收緩沖器0對應于接收濾波器0和1；接收緩沖器1對應于接收濾波器2、3、4和5。通過定義常數標志數組_ucanrxhndls[i]（0≤i≤5），依次將要接收的報文cob－id定義到接收濾波器中，當產生can總線接收中斷時，根據中斷標志寄存器pir3的bit0（rxb0if，接收緩沖器0中斷標志位）和bit1（rxb1if，接收緩沖器1中斷標志位）來判斷產生中斷的接收緩沖器。

當接收緩沖器0中斷時，則有：

_ucan_ret＝*（_ucanrxhndls＋（rxb0con＆0x01）） （1）

其中：_ucan_ret為標識某報文接收中斷數組常數標志；接收緩沖器0控制寄存器（rxb0con）的bit0為接收濾波器0、1的選擇位。

接收緩沖器1中斷時，則有：

_ucan_ret＝*（_canrxhndls＋（rxb1con＆0x07）） （2）

其中：接收緩沖器1控制寄存器（rxb1con）的bit2－bit0為接收濾波器2、3、4和5的選擇位。

通過式（1）和式（2）可得代表某種報文中斷的數組常數標志，實現對接收報文類型的判斷，完成郵箱動態(tài)分配和相應報文處理。

4 實驗驗證

為方便實現實驗室監(jiān)測，直觀地觀察伺服電機模塊的工作狀態(tài)，判斷d/a轉化的線性特征，使用labview軟件設計了pc監(jiān)控面板[5]，如圖4所示。

圖4中的amplitude和phase分別用于設置發(fā)送正弦波的幅度和相位，正弦波數據以占用兩字節(jié)的形式發(fā)送，結合繼電器1和2占用的一個字節(jié)組成3字節(jié)的tpdo報文，光耦1、2表示從rpdo報文接收到的數據狀態(tài)，在此監(jiān)控面板的基礎上，使系統的調試更加方便。

在示波器上觀察到的d/a輸出波形如圖5所示，因為d/a輸出為瞬間波形，所以在示波器上看到的波形光線只有一部分。此外，由于labview軟件的限制，最高輸出數據周期只能達到1ms，因此，在示波器上看到的波形有折線存在，每個轉折點代表一個輸出點，通過設置相位值來決定轉折點的個數，即輸出多少個數據來表示一個波形，例如圖5中的相位為18，則會輸出36個點來表示一個周期波形。將此d/a輸出至伺服控制器即可實現對伺服電機的控制，這一點已在現場試驗中得到驗證。

5 結論

通過對并條機自調勻整系統的其他控制節(jié)點采用相同的方法進行canopen協議開發(fā)，實現了網絡化的控制系統。除了伺服電機外一個完整的控制系統還應有：主控模塊如（dsp或單片機）、plc模塊和鍵盤顯示模塊等。和伺服電機模塊一樣，可將每個控制模塊都作為一個節(jié)點進行開發(fā)。每個節(jié)點都有各自的節(jié)點id，所接收和發(fā)射的數據在總線上進行交流，通過改變伺服電機控制的低速羅拉轉速來調節(jié)牽伸倍數，從而達到自調勻整的目的。

自動控制系統的網絡化，標準化是現代工業(yè)發(fā)展的一個必然趨勢，將can總線應用層協議canopen應用于該領域有著廣闊的應用前景，本文通過將伺服電機控制模塊做成符合canopen協議的標準化裝置，并應用于并條機自調勻整系統中，使其具有了即插即用和在線監(jiān)控特性，增強了設備的可擴展性，提高了數據傳輸的可靠性。這種基于現場總線應用層標準的協議的開發(fā)和使用，對提高系統的工作效率，特別是對復雜系統的研制具有一定的指導意義。