CANopen协议在伺服电机控制系统中的实现

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摘要针对目前国内大多把精力放在硬件之上的底层软件开发,使应用水平难于提高的问题,结合工业控制中的伺服电机控制模块,开发基于PIC18F258微控制器的CAN总线高层通信协议CANopen,使模块具有较强的在线可控性、可扩展性和通用性。通过自行开发的基于Labview软件的PC监控面板实现模块的运行校验。
关键词CANopen协议 CAN总线 伺服电机控制
　　基于现场总线的网络技术的研究是自动化领域发展的一个热点。CANopen协议是目前流行于欧洲的基于CAN总线应用层的标准协议。对工程设计者来说,研究现场总线的核心任务就是对控制节点进行开发。本文就是通过实现伺服电机控制模块的CANopen协议,说明一个基于CANopen协议的控制网络的组态。
　　伺服电机控制器在自动控制领域里有着广泛的应用,如纺织机械和印刷机等。为了得到理想的速控效果, 伺服电机模块除了要在分辨率、线性程度以及转换速率上达到一定的要求外,还应具有良好的在线可控性和实时在线状态检测功能。为此,利用CAN总线高层通信协议CANopen,结合陕西省教育厅“并条机自调匀整” 项目对伺服电机控制模块参数的要求,开发了一个具有硬件可重用性、软件可重配置特点的伺服电机控制模块。
1  CANopen协议概述[1-2]
　　CANopen协议是由CiA协会针对CAN协议的不完整性而定义出的一个更高层次的协议——应用层协议。一个CANopen 设备模块可分为3部分,如图1所示。通信接口和协议软件用于提供在总线上收发通信对象的服务;不同CANopen 设备间的通信都是通过交换通信对象来完成的,这一部分直接面向CAN 控制器进行操作。对象字典描述了设备使用的所有数据类型、通信对象和应用对象;对象字典位于通信程序和应用程序之间,用于向应用程序提供接口。应用程序对对象字典进行操作,即可实现CANopen通信。它包括功能部分和通信部分,通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen 通信;而功能部分则根据应用要求来实现。

图1  CANopen设备模型
　　在CANopen网络系统中每个节点都有唯一的一个对象字典,而且每个节点的对象字典都具有相同的结构,但具体的内容要根据不同的设备而定,包含了描述该设备及其网络行为的所有参数。CANopen协议还定义了4种报文(通信对象),用于对不同作用的信息进行处理,分别为管理报文（NMT）、服务数据对象（SDO）、过程数据对象（PDO）和预定义报文或特殊功能对象。具体的CANopen协议内容可参考相关文档。
2  伺服电机模块的硬件实现
　　伺服电机模块使用Microchip公司生产的带有CAN总线功能模块的主频为40 MHz的PIC18F258单片机进行控制[3]。根据并条机自调匀整系统对伺服电机的要求（9 V—3 000 r/min,即3 mV—1 r/min）,以及从总线上以1 ms为周期发送来的D/A转速控制数据,使用ADI公司的12位AD7243芯片进行D/A转换。它具有300 kHz的转换速率,3种可选择的输出电压,分别是0～+10 V、0～＋5 V和-5~+5 V,采用串行端口通信。
　　图2为硬件电路简图。根据系统需求,设置AD7243电压输出为±5 V,将AD7243芯片的ROFS引脚与REFIN引脚相连实现。在AD7243的输出端接有OP07运算放大器,用于调整输出电压到±10 V, 以控制电机正反方向和调节转速。图中继电器FDLL4148用于控制电机的启动和停止;光耦TL521用于对伺服电机状态采集时的隔离器;为实时了解伺服电机运行状态,根据CANopen协议分别设计了用于指示系统当前状态和错误的LED(绿色和红色)指示灯;J1为与伺服控制器的接口插件。

图2  伺服电机模块硬件结构简图
　　图2中,在OP07上接有调节零输出偏置电压的可调电位器R3;用ADuM1100高速数字隔离器替代传统的光电耦合器,以降低功耗,提供精确的信号;MCP2551是一种可容错的高速CAN收发器,具有差分发射和接收能力,可将许多节点与同一网络相连接并采用非屏蔽线部署网络,从而降低系统成本。
3  伺服电机模块的CANopen协议实现
(1)  CANopen协议实现
　　伺服电机模块在CANopen网络中作为从节点发挥作用,完成属于自己范围内的特定任务,进行实时数据传输,并对其负责的底层设备进行数据采集和控制。在实现CANopen协议之前,必须先了解它在网络中的具体功能：通过CAN总线接收控制伺服电机的数据（包括转速控制、启动和停止）;采样伺服Ready信号和电机当前状态回送到CAN总线。
　　CANopen协议的核心内容是对象字典,完成各种机器CANopen协议通信的实质是在对象字典的基础上进行操作,通过映射的关系实现对各种报文数据的处理。根据伺服电机模块的功能并结合CANopen协议各类报文的特征,定义了如表1和表2所列的属性。
表 1

表 2

　　表1和表2定义的SDO报文和PDO报文分别用于读/写对象字典和传送实时数据。PDO报文映射参数子索引的内容代表PDO报文中各字节的用途,比如：RxPDO报文映射参数子索引0x64110110L指对象字典索引0x6411和子索引0x01,占16位的数据内容,即控制电机转速数据。此外,系统还定义了一个接收NMT报文,用于实现主节点对从节点的组态;一个Heartbeat(心跳)报文,以5 000 ms为周期发送,使主节点实时监测从节点状态并在发生错误时及时进行处理。
　　除了上述用于实现伺服电机模块预定义功能的报文外,还根据CANopen协议的指示灯规范设计了状态(绿色)和错误(红色)指示灯,通过定时器周期性地检查CAN总线状态寄存器和CANopen通信状态标志,设置指示灯的常亮、闪亮和闪烁等状态,可使用户直观地判断当前机器所处的状态,从而提高工作效率。具体的CANopen协议和指示灯规范可以参考相关文档[4]。
　　伺服电机控制模块的设计是基于CANopen协议对象字典的模块化设计,它可以方便地进行功能扩展,只须修改对象字典中报文映射参数,添加相应的功能模块即可实现。与以往的基于CAN数据传送协议相比,大大提高了系统效率,节约了有限的硬件资源,为功能的扩展和用途的延伸提供了方便。
(2)  应用程序流程
　　伺服电机模块上电以后,根据CANopen协议从节点的性质,系统在进行完初始化参数配置后,发送Bootup报文通知主节点已进入预操作(preoperational)状态,并在主循环中等待各种类型中断的到来。在预操作状态中,可接收主节点的SDO报文读/写对象字典。比如当无法使DA零点输出偏置电压达到标准值时,可以通过修改对象字典的电压偏置值相来进行调整。NMT报文也可在预操作状态中接收,用于改变节点状态,进入伺服电机模块实时传输PDO报文的操作(operational)状态,开始系统的正常工作。一旦系统进入预操作状态,就会以5 000 ms为周期发送Heartbeat报文使主节点实时监控伺服电机模块的状态;当从节点发生错误时主节点就可以立刻采取措施,实现实时在线监控的功能。图3为中断程序流程图。

图3  中断程序流程图
(3)  基于PIC18F258微控制器的邮箱动态分配的实现
　　邮箱动态分配的任务是在不固定某个邮箱具体特性的同时,实现对邮箱中报文作用的判断。通过邮箱的动态分配,可以节约系统资源,提高软件灵活性,便于今后系统扩展。
　　在系统初始化过程中,实现了邮箱的动态分配,具体方法是：PIC18F258微控制器具有2个接收缓冲器和6个接收滤波器,其中：接收缓冲器0对应于接收滤波器0和1;接收缓冲器1对应于接收滤波器2、3、4和5。通过定义常数标志数组_uCANRxHndls[i](0≤i≤5),依次将要接收的报文COBID定义到接收滤波器中。当产生CAN总线接收中断时,根据中断标志寄存器PIR3的Bit0(RXB0IF,接收缓冲器0中断标志位)和Bit1(RXB1IF,接收缓冲器1中断标志位)来判断产生中断的接收缓冲器。
　　当接收缓冲器0中断时,则有：
　　_uCAN_ret=*(_uCANRxHndls+(RXB0CON & 0x01))(1)
其中：uCAN_ret为标识某报文接收中断的数组常数标志;接收缓冲器0控制寄存器(RXB0CON)的Bit0为接收滤波器0、1的选择位。
　　当接收缓冲器1中断时,则有：
　　_uCAN_ret=*(_uCANRxHndls+(RXB1CON & 0x07))(2)
其中：接收缓冲器1控制寄存器(RXB1CON)的Bit2~Bit0为接收滤波器2、3、4和5的选择位。
　　通过式（1）和式（2）可得代表某种报文中断的数组常数标志,实现对接收报文类型的判断,完成邮箱动态分配和相应报文处理。
4  实验验证
　　为方便实验室监测,直观地观察伺服电机模块的工作状态,判断D/A转化的线性特征,使用LabView软件设计了PC监控面板[5],如图4所示。

图4  伺服电机模块测试面板
　　图4中的amplitude和phase分别用于设置发送正弦波的幅度和相位,正弦波数据以占用两字节的形式发送,结合继电器1和2占用的一个字节组成3字节的TPDO报文。光耦1、2表示从RPDO报文接收到的数据状态,在此监控面板的基础上,使系统的调试更加方便。
　　在示波器上观察到的D/A输出波形如图5所示,因为D/A输出为瞬间波形,所以在示波器上看到的波形光线只有一部分。此外,由于LabView软件的限制,最高输出数据周期只能达到1 ms。 因此, 在示波器上看到的波形有折线存在, 每个转折点代表一个输出点,通过设置相位值来决定转折点的个数,即输出多少个数据来表示一个波形。例如图5中的相位为18,则会输出36个点来表示一个周期波形。

图5  示波器观察波形
　　将此D/A输出至伺服控制器即可实现对伺服电机的控制,这一点已在现场试验中得到验证。
5  结论
　　通过对并条机自调匀整系统的其他控制节点采用相同的方法进行CANopen协议开发,实现了网络化的控制系统。除了伺服电机外一个完整的控制系统还应有：主控模块如（DSP或单片机）、PLC模块和键盘显示模块等。和伺服电机模块一样,可将每个控制模块都作为一个节点进行开发。每个节点都有各自的节点ID,所接收和发射的数据在总线上进行交流,通过改变伺服电机控制的低速罗拉转速来调节牵伸倍数,从而达到自调匀整的目的。
　　自动控制系统的网络化、标准化是现代工业发展的一个必然趋势,将CAN总线应用层协议CANopen应用于该领域有着广阔的应用前景。本文通过将伺服电机控制模块做成符合CANopen协议的标准化装置,并应用于并条机自调匀整系统中,使其具有了即插即用和在线监控特性,增强了设备的可扩展性,提高了数据传输的可靠性。这种基于现场总线应用层标准协议的开发和使用,对提高系统的工作效率,特别是对复杂系统的研制具有一定的指导意义。
参考文献
[1]  Boterenbrood H. CANopen:highlevel protocol for CANbus. 2000.
[2]  CiA, CANopen Communication Profile for Industrial Systems Based on CAL. 1996.
[3]  刘和平,刘林,于红欣,等. PIC18FXXX单片机原理及接口程序设计. 北京：北京航空航天大学出版社,2004.
[4]  CiA.CANopen Indicator Specification. 2001.
[5]  汪敏生. LABVIEW基础教程. 北京：电子工业出版社,2002.