CANopen協(xié)議在伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)

基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究是自動化領(lǐng)域發(fā)展的一個熱點，canopen協(xié)議是目前流行于歐洲的基于can總線應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，對工程設(shè)計者來說，研究現(xiàn)場總線的核心任務(wù)就是對控制節(jié)點進(jìn)行開發(fā)，本文就是通過實現(xiàn)伺服電機(jī)控制模塊的canopen為協(xié)議，說明一個基于canopen協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)。

伺服電機(jī)控制器在自動控制領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用，如紡織機(jī)械和印刷機(jī)等，為了得到理想的速控效果，伺服電機(jī)模塊除了要在分辨率、線性程度以及轉(zhuǎn)換速率上達(dá)到一定的要求外，還應(yīng)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(xié)議canopen，結(jié)合陜西省教育廳“并條機(jī)自調(diào)勻整”項目對伺服電機(jī)控制模塊參數(shù)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(jī)控制模塊。

1 canopen協(xié)議概述[1－2]

canopen協(xié)議是由cia協(xié)會針對can協(xié)議的不完整性而定義出的一個更高層次的協(xié)議——應(yīng)用層協(xié)議。一個canopen設(shè)備模塊可分為3部分，如圖1所示，通信接口和協(xié)議軟件用于提供在總線上收發(fā)通信對象的服務(wù)，不同canopen設(shè)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(jìn)行操作，對象字典描述了設(shè)備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信對象和應(yīng)用對象，對象字典位于通信程序和應(yīng)用程序之間，用于向應(yīng)用程序提供接口，應(yīng)用程序?qū)ο笞值溥M(jìn)行操作，即可實現(xiàn)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(jìn)行操作實現(xiàn)canopen通信，而功能部分則根據(jù)應(yīng)用要求來實現(xiàn)。

在canopen網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，但具體的內(nèi)容要根據(jù)不同的設(shè)備而定，包含了描述該設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)，canopen協(xié)議還定義了4種報文（通信對象），用于對不同作用的信息進(jìn)行處理，分別為管理報文（nmt）、服務(wù)數(shù)據(jù)對象（sdo），過程數(shù)據(jù)對象（pdo）和預(yù)定義報文或特殊功能對象。具體的canopen協(xié)議內(nèi)容可參考相關(guān)文檔。

2 伺服電機(jī)模塊的硬件實現(xiàn)

伺服電機(jī)模塊應(yīng)用microchip公司生產(chǎn)的帶有can總線功能模塊的主頻為40m赫茲的pic18f258單片機(jī)進(jìn)行控制[3]。根據(jù)并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)對伺服電機(jī)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(zhuǎn)速控制數(shù)據(jù)，使用adi公司的12位ad7243芯片進(jìn)行d/a轉(zhuǎn)換，它具有300k赫茲轉(zhuǎn)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(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)置ad7243電壓輸出為±5v，將ad7243芯片的rofs引腳與refin引腳相連實現(xiàn)，在ad7243的輸出端接有op07運(yùn)算放大器，用于調(diào)整輸出電壓到±10v，以控制電機(jī)正反方向和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，圖中繼電器fdll4148用于控制電機(jī)的啟動和停止，光耦tl521用于對伺服電機(jī)狀態(tài)采集時的隔離器，為實時了解伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)canopen協(xié)議分別設(shè)計了用于指示系統(tǒng)當(dāng)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(diào)節(jié)零輸出偏置電壓的可調(diào)電位器r3；用adum1100高速數(shù)字隔離器代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(wǎng)絡(luò)相連接并采用非屏蔽線部署網(wǎng)絡(luò)，從而降低系統(tǒng)成本。

3 伺服電機(jī)模塊的canopen協(xié)議實現(xiàn)

（1）canopen協(xié)議實現(xiàn)

伺服電機(jī)模塊在canopen網(wǎng)絡(luò)中作為從節(jié)點發(fā)揮作用，完成屬于自己范圍內(nèi)的特定任務(wù)，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸，并對其負(fù)責(zé)的底層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，在實現(xiàn)canopen協(xié)議之前，必須先了解它在網(wǎng)絡(luò)中的具體功能：通過can總線接收控制伺服電機(jī)的數(shù)據(jù)（包括轉(zhuǎn)速控制、啟動和停止），采樣伺服ready信號和電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)回送到can總線。

canopen協(xié)議的核心內(nèi)容是對象字典，完成各種機(jī)器canopen協(xié)議通信的實質(zhì)是在對象字典的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作，通過映射的關(guān)系實現(xiàn)對各種報文數(shù)據(jù)的處理，根據(jù)伺服電機(jī)模塊的功能并結(jié)合canopen協(xié)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(shù)據(jù)，pdo報文映射參數(shù)子索引的內(nèi)容代表pdo報文中各字節(jié)的用途，比如：rxpdo報文映射參數(shù)子索引0x64110110l指對象字典索引0x6411和子索引0x01，占16位的數(shù)據(jù)內(nèi)容，即控制電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，此外，系統(tǒng)還定義了一個接收nmt報文，用于實現(xiàn)主節(jié)點對從結(jié)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(jìn)行處理。

除了上述用于實現(xiàn)伺服電機(jī)模塊預(yù)定義功能的報文外，還根據(jù)canopen協(xié)議的指示燈規(guī)范設(shè)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(biāo)志，設(shè)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(dāng)前機(jī)器所處的狀態(tài)，從而提高工作效率，具體的canopen協(xié)議和指示燈規(guī)范可以參考相關(guān)文檔[4]。

伺服電機(jī)控制模塊的設(shè)計是基于canopen協(xié)議對象字典的模塊化設(shè)計，它可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展，只須修改對象字典中報文映射參數(shù)，添加相應(yīng)的功能模塊即可實現(xiàn)。與以往的基于can數(shù)據(jù)傳送協(xié)議相比，大大提出了系統(tǒng)效率，節(jié)約了有限的硬件資源，為功能的擴(kuò)展和用途的延伸提供了方便。

（2）應(yīng)用程序流程

伺服電機(jī)模塊上電以后，根據(jù)canopen協(xié)議從節(jié)點的性質(zhì)，系統(tǒng)在進(jìn)行完初始化參數(shù)配置后，發(fā)送boot－up報文通知主節(jié)點已進(jìn)入預(yù)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(yù)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(dāng)無法使da零點輸出偏置電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值時，可以通過修改對象字典的電壓偏置值相來進(jìn)行調(diào)整。nmt報文也可在預(yù)操作狀態(tài)中接收，用于改變節(jié)點狀態(tài)，進(jìn)入伺服電機(jī)模塊實時傳輸pdo報文的操作（operational）狀態(tài)，開始系統(tǒng)的正常工作，一旦系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)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(jī)模塊的狀態(tài)，當(dāng)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(xiàn)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(xiàn)

郵箱動態(tài)分配的任務(wù)是在不固定某個郵箱具體特性的同時，實現(xiàn)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(tǒng)資源，提高軟件靈活性，便于今后系統(tǒng)擴(kuò)展。

在系統(tǒng)初始化過程中，實現(xiàn)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(yīng)于接收濾波器0和1；接收緩沖器1對應(yīng)于接收濾波器2、3、4和5。通過定義常數(shù)標(biāo)志數(shù)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(dāng)產(chǎn)生can總線接收中斷時，根據(jù)中斷標(biāo)志寄存器pir3的bit0（rxb0if，接收緩沖器0中斷標(biāo)志位）和bit1（rxb1if，接收緩沖器1中斷標(biāo)志位）來判斷產(chǎn)生中斷的接收緩沖器。

當(dāng)接收緩沖器0中斷時，則有：

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

其中：_ucan_ret為標(biāo)識某報文接收中斷數(shù)組常數(shù)標(biāo)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(shù)組常數(shù)標(biāo)志，實現(xiàn)對接收報文類型的判斷，完成郵箱動態(tài)分配和相應(yīng)報文處理。

4 實驗驗證

為方便實現(xiàn)實驗室監(jiān)測，直觀地觀察伺服電機(jī)模塊的工作狀態(tài)，判斷d/a轉(zhuǎn)化的線性特征，使用labview軟件設(shè)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(shè)置發(fā)送正弦波的幅度和相位，正弦波數(shù)據(jù)以占用兩字節(jié)的形式發(fā)送，結(jié)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(shù)據(jù)狀態(tài)，在此監(jiān)控面板的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)的調(diào)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(shù)據(jù)周期只能達(dá)到1ms，因此，在示波器上看到的波形有折線存在，每個轉(zhuǎn)折點代表一個輸出點，通過設(shè)置相位值來決定轉(zhuǎn)折點的個數(shù)，即輸出多少個數(shù)據(jù)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(xiàn)對伺服電機(jī)的控制，這一點已在現(xiàn)場試驗中得到驗證。

5 結(jié)論

通過對并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)的其他控制節(jié)點采用相同的方法進(jìn)行canopen協(xié)議開發(fā)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。除了伺服電機(jī)外一個完整的控制系統(tǒng)還應(yīng)有：主控模塊如（dsp或單片機(jī)）、plc模塊和鍵盤顯示模塊等。和伺服電機(jī)模塊一樣，可將每個控制模塊都作為一個節(jié)點進(jìn)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(shù)據(jù)在總線上進(jìn)行交流，通過改變伺服電機(jī)控制的低速羅拉轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)牽伸倍數(shù)，從而達(dá)到自調(diào)勻整的目的。

自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，標(biāo)準(zhǔn)化是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一個必然趨勢，將can總線應(yīng)用層協(xié)議canopen應(yīng)用于該領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，本文通過將伺服電機(jī)控制模塊做成符合canopen協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化裝置，并應(yīng)用于并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)中，使其具有了即插即用和在線監(jiān)控特性，增強(qiáng)了設(shè)備的可擴(kuò)展性，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＿@種基于現(xiàn)場總線應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議的開發(fā)和使用，對提高系統(tǒng)的工作效率，特別是對復(fù)雜系統(tǒng)的研制具有一定的指導(dǎo)意義。