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

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。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(duì)工程設(shè)計(jì)者來說,研究現(xiàn)場(chǎng)總線的核心任務(wù)就是對(duì)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)。本文就是通過實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制模塊的CANopen協(xié)議,說明一個(gè)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(dòng)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(shí)時(shí)在線狀態(tài)檢測(cè)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(xiàng)目對(duì)伺服電機(jī)控制模塊參數(shù)的要求,開發(fā)了一個(gè)具有硬件可重用性、軟件可重配置特點(diǎn)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(huì)針對(duì)CAN協(xié)議的不完整性而定義出的一個(gè)更高層次的協(xié)議——應(yīng)用層協(xié)議。一個(gè)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(duì)象的服務(wù);不同CANopen 設(shè)備間的通信都是通過交換通信對(duì)象來完成的,這一部分直接面向CAN 控制器進(jìn)行操作。對(duì)象字典描述了設(shè)備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信對(duì)象和應(yīng)用對(duì)象;對(duì)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)?duì)象字典進(jìn)行操作,即可實(shí)現(xiàn)CANopen通信。它包括功能部分和通信部分,通信部分通過對(duì)對(duì)象字典進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)CANopen 通信;而功能部分則根據(jù)應(yīng)用要求來實(shí)現(xiàn)。

圖1 CANopen設(shè)備模型

在CANopen網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的一個(gè)對(duì)象字典,而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)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(bào)文(通信對(duì)象),用于對(duì)不同作用的信息進(jìn)行處理,分別為管理報(bào)文(NMT)、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(SDO)、過程數(shù)據(jù)對(duì)象(PDO)和預(yù)定義報(bào)文或特殊功能對(duì)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(shí)現(xiàn)

伺服電機(jī)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(jī)進(jìn)行控制[3]。根據(jù)并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)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(jìn)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(jiǎn)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(shí)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±10 V, 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(dòng)和停止;光耦TL521用于對(duì)伺服電機(jī)狀態(tài)采集時(shí)的隔離器;為實(shí)時(shí)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(jì)了用于指示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和錯(cuò)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(jī)模塊硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào);MCP2551是一種可容錯(cuò)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)

(1) CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)

伺服電機(jī)模塊在CANopen網(wǎng)絡(luò)中作為從節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,并對(duì)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(shí)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(dòng)和停止);采樣伺服 Ready信號(hào)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(duì)象字典,完成各種機(jī)器CANopen協(xié)議通信的實(shí)質(zhì)是在對(duì)象字典的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作,通過映射的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)各種報(bào)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(bào)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(bào)文和PDO報(bào)文分別用于讀/寫對(duì)象字典和傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。PDO報(bào)文映射參數(shù)子索引的內(nèi)容代表PDO報(bào)文中各字節(jié)的用途,比如：RxPDO報(bào)文映射參數(shù)子索引0x64110110L指對(duì)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(gè)接收NMT報(bào)文,用于實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的組態(tài);一個(gè)Heartbeat(心跳)報(bào)文,以5 000 ms為周期發(fā)送,使主節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)并在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)進(jìn)行處理。

除了上述用于實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)模塊預(yù)定義功能的報(bào)文外,還根據(jù)CANopen協(xié)議的指示燈規(guī)范設(shè)計(jì)了狀態(tài)(綠色)和錯(cuò)誤(紅色)指示燈,通過定時(shí)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(jì)是基于CANopen協(xié)議對(duì)象字典的模塊化設(shè)計(jì),它可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展,只須修改對(duì)象字典中報(bào)文映射參數(shù),添加相應(yīng)的功能模塊即可實(shí)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(kuò)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(jī)模塊上電以后,根據(jù)CANopen協(xié)議從節(jié)點(diǎn)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(bào)文通知主節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的SDO報(bào)文讀/寫對(duì)象字典。比如當(dāng)無法使 DA零點(diǎn)輸出偏置電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),可以通過修改對(duì)象字典的電壓偏置值相來進(jìn)行調(diào)整。NMT報(bào)文也可在預(yù)操作狀態(tài)中接收,用于改變節(jié)點(diǎn)狀態(tài),進(jìn)入伺服電機(jī)模塊實(shí)時(shí)傳輸PDO報(bào)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(huì)以5 000 ms為周期發(fā)送Heartbeat報(bào)文使主節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服電機(jī)模塊的狀態(tài);當(dāng)從節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)主節(jié)點(diǎn)就可以立刻采取措施,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)分配的實(shí)現(xiàn)

郵箱動(dòng)態(tài)分配的任務(wù)是在不固定某個(gè)郵箱具體特性的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)郵箱中報(bào)文作用的判斷。通過郵箱的動(dòng)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(shí)現(xiàn)了郵箱的動(dòng)態(tài)分配,具體方法是：PIC18F258微控制器具有2個(gè)接收緩沖器和6個(gè)接收濾波器,其中：接收緩沖器0 對(duì)應(yīng)于接收濾波器0和1;接收緩沖器1對(duì)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(bào)文COBID定義到接收濾波器中。當(dāng)產(chǎn)生CAN總線接收中斷時(shí),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(shí),則有：

_uCAN_ret=*(_uCANRxHndls+(RXB0CON & 0x01))(1)

其中：uCAN_ret為標(biāo)識(shí)某報(bào)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(shí),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(bào)文中斷的數(shù)組常數(shù)標(biāo)志,實(shí)現(xiàn)對(duì)接收?qǐng)?bào)文類型的判斷,完成郵箱動(dòng)態(tài)分配和相應(yīng)報(bào)文處理。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為方便實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè),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(jì)了PC監(jiān)控面板[5],如圖4所示。

圖4 伺服電機(jī)模塊測(cè)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(gè)字節(jié)組成3字節(jié)的TPDO報(bào)文。光耦1、2表示從RPDO報(bào)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?yàn)镈/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1 ms。 因此, 在示波器上看到的波形有折線存在, 每個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)代表一個(gè)輸出點(diǎn),通過設(shè)置相位值來決定轉(zhuǎn)折點(diǎn)的個(gè)數(shù),即輸出多少個(gè)數(shù)據(jù)來表示一個(gè)波形。例如圖5中的相位為18,則會(huì)輸出36個(gè)點(diǎn)來表示一個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制,這一點(diǎn)已在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

5 結(jié)論

通過對(duì)并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)的其他控制節(jié)點(diǎn)采用相同的方法進(jìn)行CANopen協(xié)議開發(fā),實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。除了伺服電機(jī)外一個(gè)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(gè)控制模塊都作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有各自的節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(gè)必然趨勢(shì),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?。這種基于現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的開發(fā)和使用,對(duì)提高系統(tǒng)的工作效率,特別是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研制具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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