CANopen協(xié)議在伺服電機控制系統(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)點進行開發(fā)。本文就是通過實現(xiàn)伺服電機控制模塊的CANopen協(xié)議,說明一個基于CANopen協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)。

伺服電機控制器在自動控制領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)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(zhuǎn)換速率上達到一定的要求外,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“并條機自調(diào)勻整” 項目對伺服電機控制模塊參數(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)備間的通信都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(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)。

圖1 CANopen設(shè)備模型

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 伺服電機模塊的硬件實現(xiàn)

伺服電機模塊使用Microchip公司生產(chǎn)的帶有CAN總線功能模塊的主頻為40 MHz的PIC18F258單片機進行控制[3]。根據(jù)并條機自調(diào)勻整系統(tǒng)對伺服電機的要求(9 V—3 000 r/min,即3 mV—1 r/min),以及從總線上以1 ms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芯片進行D/A轉(zhuǎn)換。它具有300 kHz的轉(zhuǎn)換速率,3種可選擇的輸出電壓,分別是0～+10 V、0～+5 V和-5~+5 V,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±5 V,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運算放大器,用于調(diào)整輸出電壓到±10 V, 以控制電機正反方向和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(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 伺服電機模塊硬件結(jié)構(gòu)簡圖

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)字隔離器替代傳統(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 伺服電機模塊的CANopen協(xié)議實現(xiàn)

(1) CANopen協(xié)議實現(xiàn)

伺服電機模塊在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),進行實時數(shù)據(jù)傳輸,并對其負責(zé)的底層設(shè)備進行數(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,完成各種機器CANopen協(xié)議通信的實質(zhì)是在對象字典的基礎(chǔ)上進行操作,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

表 2

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)點對從節(jié)點的組態(tài);一個Heartbeat(心跳)報文,以5 000 ms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(xiàn)伺服電機模塊預(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,它可以方便地進行功能擴展,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,大大提高了系統(tǒng)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。[!--empirenews.page--]

(2) 應(yīng)用程序流程

伺服電機模塊上電以后,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(tǒng)的正常工作。一旦系統(tǒng)進入預(yù)操作狀態(tài),就會以5 000 ms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(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。

圖3 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COBID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)識某報文接收中斷的數(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。

當(dāng)接收緩沖器1中斷時,則有：

_uCAN_ret=*(_uCANRxHndls+(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(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 伺服電機模塊測試面板

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)周期只能達到1 ms。 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。

圖5 示波器觀察波形

將此D/A輸出至伺服控制器即可實現(xiàn)對伺服電機的控制,這一點已在現(xiàn)場試驗中得到驗證。

5 結(jié)論

通過對并條機自調(diào)勻整系統(tǒng)的其他控制節(jié)點采用相同的方法進行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)、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(shù)據(jù)在總線上進行交流,通過改變伺服電機控制的低速羅拉轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)牽伸倍數(shù),從而達到自調(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,增強了設(shè)備的可擴展性, 提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。這種基于現(xiàn)場總線應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)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。

參考文獻

[1] Boterenbrood H. CANopen:high?level protocol for CAN?bus. 2000.

[2] CiA, CANopen Communication Profile for Industrial Systems Based on CAL. 1996.

[3] 劉和平,劉林,于紅欣,等. PIC18FXXX單片機原理及接口程序設(shè)計. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[4] CiA.CANopen Indicator Specification. 2001.

[5] 汪敏生. LABVIEW基礎(chǔ)教程. 北京：電子工業(yè)出版社,2002.