利用CANopen协议实现伺服电机的网络化控制系统设计

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为协议，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

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。

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

伺服电机模块应用Microchip公司生产的带有CAN总线功能模块的主频为40M赫兹的PIC18F258单片机进行控制。根据并条机自调匀整系统对伺服电机的要求（9V－3000r/min，即3mV－1r/min），以及从总线上以1ms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300K赫兹转换速率，3种可选择的输出电压，分别是0～＋10V、0～＋5V和－5～＋5V，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±5V，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±10V，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高速数字隔离器代替传统的光电耦合器，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结点的组态；一个 Heartbeat（心跳）报文，以5000ms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。

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，大大提出了系统效率，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5000ms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。

（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COB－ID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。

接收缓冲器1中断时，则有：

_uCAN_ret＝*（_CANRxHndls＋（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

为方便实现实验室监测，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，如图4所示。

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1ms，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。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的协议的开发和使用，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。