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CANopen协议在伺服电机控制系统中的实现

作者:宋晓梅 贾佳,西安工程科技学院2008.04.30阅读 11108

  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控制工程网版权所有,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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。

 

CANopen协议在伺服电机控制系统中的实现如图

  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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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控制工程网版权所有,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。

 

CANopen协议在伺服电机控制系统中的实现如图

 

  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CONTROL ENGINEERING China版权所有,定义了如表1和表2所列的属性。

 

CANopen协议在伺服电机控制系统中的实现如图

  

  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0

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