基于CANopen協(xié)議的數(shù)字伺服控制

夏勇，葉曉東，趙江海

(1.中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院先進制造技術(shù)研究所，江蘇 常州 213164;2.南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通 226019)

0 引言

CAN即控制器局域網(wǎng)，是一種多主總線，被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一[1]。CAN協(xié)議一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，取而代之的是對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼[2]。CANopen是CAN網(wǎng)絡的一種應用層協(xié)議，是開放的、標準化的高層協(xié)議，是目前應用最廣泛的嵌入式網(wǎng)絡。CANopen建立在CAN的數(shù)據(jù)鏈路層之上，除了對應層規(guī)范(DS 301)進行定義外，CANopen還專門為不同的接口設備應用子協(xié)議定義了行規(guī)(DSP4)，其中CiA 402是針對驅(qū)動裝置和運動控制裝置的設備規(guī)范。本文正是針對CANopen在伺服上的運用展開的。

1 CANopen協(xié)議簡析

CANopen協(xié)議包括對象字典(Object Dictionary，OD)、通信模型和設備模型三大部分，設備對象字典是中心概念[3]253。

1.1 設備模型

CANopen設備如圖1所示，可以視作為一個抽象設備，一邊接CAN總線，另一邊接應用設備的I/O數(shù)據(jù)端口。應用部分設備制造商已經(jīng)提供了相關(guān)設備規(guī)范。為了訪問CANopen設備的對象字典，必須實現(xiàn)CANopen協(xié)議棧的相關(guān)功能[3]260。

圖1 CANopen設備模型

1.2 對象字典

每個設備都擁有一個對象字典，對象字典提供了完全訪問應用程序的途徑，提供了設備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信參數(shù)、應用數(shù)據(jù)和參數(shù)配置。對象字典中常用索引:1000－1FFF，對應的對象為通訊子協(xié)議區(qū)域(如設備類型，錯誤寄存器，支持的PDO數(shù)量);索引:6000－9FFF，對應的對象為標準設備子協(xié)議區(qū)域(例如“DSP－402運動控制裝置的設備規(guī)范”中的控制字、速度、位置等)。

1.3 CANopen 通訊模型

CANopen通訊模型定義了4種通訊對象:管理消息、服務數(shù)據(jù)對象、過程數(shù)據(jù)對象、預定義的消息或者特殊功能對象[4]。值得注意的是對象字典中對象的訪問是使用對象字典索引和子索引，通訊對象或者消息的訪問是通過 COB－ID。COB－ID本質(zhì)上還是標識符(CAN－ID)，它只是被規(guī)劃了特殊的含義。

1.3.1 服務數(shù)據(jù)對象(Service Data Object，SDO)

SDO用來訪問一個設備的對象字典。訪問者被稱作客戶(client)，被訪問且提供所請求的設備稱作服務器(Server)。SDO是以Server的角度去理解的，從服務器上獲得數(shù)據(jù)叫做上傳，往服務器上寫數(shù)據(jù)叫做下載。SDO主要用于一些實時性要求不高的數(shù)據(jù)，一般用來配置和獲得節(jié)點的參數(shù)。

1.3.2 過程數(shù)據(jù)對象(Process Data Object，PDO)

PDO用來傳輸實時數(shù)據(jù)，每個PDO在對象字典中用PDO通訊參數(shù)和PDO映射參數(shù)這2個對象描述。

通俗的講，PDO只是一個載體，它里面裝載什么對象是可以配置的，這些都是由PDO映射來完成。PDO映射用來把指定的對象字典裝進PDO，或者從接收的PDO中將數(shù)據(jù)放到配置的對象中。

PDO分為TPDO和RPDO，但都是針對從站來說的。TPDO:主站←從站;RPDO:主站→從站。

1.3.3 管理消息(Network Management，NMT)

管理消息包括 Boot－ up 消息，Heartbeat協(xié)議以及 NMT[3]254。

CANopen狀態(tài)機定義了初始化狀態(tài)，就緒狀態(tài)，運行狀態(tài)和停止狀態(tài)。上電后每個CANopen節(jié)點處于初始化狀態(tài)，然后自動轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，并發(fā)出Boot-up消息通知NMT主節(jié)點已經(jīng)到就緒狀態(tài)。在就緒狀態(tài)SDO傳輸是允許的。主節(jié)點發(fā)送NMT消息啟動從節(jié)點后，從節(jié)點就可以傳輸和發(fā)送PDO了。在停止狀態(tài)，除了NMT消息外不允許傳輸和接收其他消息。

2 CANopen協(xié)議在伺服控制中的實現(xiàn)

實驗平臺由上位機，USBCAN－2A，Accelnet伺服驅(qū)動器，伺服電機構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 實驗平臺

上位機和CAN卡構(gòu)成CANopen主站，負責整個網(wǎng)路的監(jiān)控和管理，監(jiān)控伺服系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并將上位機運動規(guī)劃之后的運動參數(shù)發(fā)送給伺服。伺服系統(tǒng)構(gòu)成從站，從站主要是執(zhí)行主站發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，并將必要的運動參數(shù)返回給主站進行相關(guān)的運動決策。

2.1 實現(xiàn)方法

主站開發(fā)環(huán)境選用 VC6.0，主要實現(xiàn)兩部分內(nèi)容:1)實現(xiàn)CAN的數(shù)據(jù)通信;2)實現(xiàn)CANopen數(shù)據(jù)幀的解析。前者的實現(xiàn)主要是調(diào)用USBCAN－2A的接口函數(shù)庫，先打開CAN設備，然后對設備進行初始化，之后啟動CAN卡，最后進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，函數(shù)調(diào)用流程如圖3所示。

后者的實現(xiàn)主要是對CAN數(shù)據(jù)幀的解析，這里的數(shù)據(jù)幀主要就是CANopen通訊模型定義的4種通訊對象。

對象字典中每個對象采用一個16位的索引值來尋址，為了允許訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個元素，同時定義了一個8位的子索引[3]253。對象字典可用 SDO直接進行讀寫，也可以配置到 PDO映射中進行讀寫。

圖4為SDO的使用方法。以上傳和下載伺服控制器中參數(shù)目標速度為例，對象字典索引為60FF，子索引為00，大小為4字節(jié)，值為0x3E8。對應的SDO操作信息如圖4所示。

圖3 接口庫函數(shù)使用流程

圖4 SDO的上傳和下載

返回的SDO命令字為80時為錯誤，具體的錯誤內(nèi)容可參見SDO錯誤碼。加速傳送機制，最多傳送4字節(jié)數(shù)據(jù)。大于4字節(jié)接著的數(shù)據(jù)都運用分段傳送結(jié)構(gòu)為SDO命令字+最多7字節(jié)數(shù)據(jù)[5]，多個分段只由1個確認報文應答以增加總線吞吐量。

圖5為Copley伺服驅(qū)動器PDO配置方法。通訊參數(shù)和映射內(nèi)容為預定義，可以用 SDO進行讀取驗證，配置RPDO映射與TPDO類似，以TPDO2，Node－ID等于2為例，配置TPDO步驟如圖5所示。

實際運用當中，PDO傳輸類型常用的是:

(1)同步傳輸:在收到一個或者多個SYNC消息后觸發(fā)PDO發(fā)送[6]。

(2)定時發(fā)送:有別于SYNC，它是節(jié)點本身定時發(fā)送，通過設置通訊參數(shù)eventtime來實現(xiàn)。但是，并不是所有設備都支持這項服務。

(3)事件觸發(fā):當節(jié)點的某個時間發(fā)生觸發(fā)的一次數(shù)據(jù)發(fā)送，該方式是實時性最好的一種傳輸方式。

2.2 實現(xiàn)過程

實驗中以伺服的兩種位置模式為例，驗證CANopen協(xié)議在伺服上的運用。上位機以SDO方式發(fā)送運動參數(shù)，啟動遠程節(jié)點，配置控制字來啟動停止，控制界面在運動過程中定周期地發(fā)送SDO查詢實時位置，速度和電流等。若使用PDO方式，必須先啟動遠程節(jié)點，并設置相關(guān)通訊參數(shù)。伺服調(diào)試的控制界面如圖6所示。

圖5 TPDO配置

圖6 伺服調(diào)試的控制界面

離散位置模式經(jīng)過計算設定的參數(shù)是:梯形模式，目標位置:36 000 Counts，配置最大速度:3 000 r/min，最大加速度:1 000 r/s2，最大減速度:500 r/s2。通過實驗發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸正確，伺服有較好的響應。實驗數(shù)據(jù)如圖7所示，圖中1表示目標位置，2表示配置的速度曲線，3表示實時速度曲線，4線表示實時位置。

圖7 離散位置模式曲線

為觀測伺服對CANopen協(xié)議的動態(tài)響應，又實驗了連續(xù)位置模式，通過計算設定的參數(shù)是:梯形模式，起始最大加速度:1 000 r/s2。最大速度:3 000 r/min。第二段最大加速度為333.33 r/s2。最大速度:4 000 r/min。最大減速度:1 333.33 r/s2。最終位置124 633 Counts。實驗結(jié)果如圖8所示，曲線顏色分配同上。通過實驗發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送無誤，伺服能按照計算的模式進行運動。最終位置由于上位機定時器的不精確有少量的偏差。

圖8 連續(xù)位置模式

3 結(jié)束語

CANopen面向?qū)ο蟮脑O計思想，協(xié)議公開透明，便于理解和開發(fā)的優(yōu)點，在多軸運動控制上是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方法。

本文利用CANopen協(xié)議實現(xiàn)了由上位機和USBCAN－2A組成的主站與從站數(shù)字伺服之間的數(shù)據(jù)通訊，通過實例驗證了CANopen協(xié)議在伺服控制上的可行性和較高的可靠性。同時，通過具體的實驗和系統(tǒng)調(diào)試為基于CANopen協(xié)議多電機運動控制的實現(xiàn)奠定了理論和實踐基礎。

[1]宋海亮 CAN總線的特點及發(fā)展趨勢[J].應用科學，2010(8):6－8.

[2]左永文.CAN總線通訊在汽車電子控制系統(tǒng)上的應用[J].計算機光盤軟件與應用，2012(4):92－93.

[3]史久根，張培仁，陳真勇.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2004:251－260.

[4]CAN in Automation.CANopen Application Layer and Communication Profile[S].CiA Draft Standard 301，Version 4.02，2002(2).

[5]鄧遵義，寧祎.基于CANopen協(xié)議的主節(jié)點通訊實現(xiàn)[J].微計算機信息，2008，25(23):62 －64，65.

[6]CAN in Automation.Device Profile Drivers and Motion Control[S].CiA Draft Standard Proposal 402，Version 2.0，2005(3).