基于CANopen協(xié)議的伺服驅(qū)動器從站實現(xiàn)

孫 旋，蔣文凱，廖文琦

（1.桂林理工大學　機械與控制工程學院，桂林　541004；2.桂林理工大學　土木與建筑工程學院，桂林 541004）

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基于CANopen協(xié)議的伺服驅(qū)動器從站實現(xiàn)

孫 旋1，蔣文凱1，廖文琦2

（1.桂林理工大學機械與控制工程學院，桂林541004；2.桂林理工大學土木與建筑工程學院，桂林 541004）

摘 要：針對伺服驅(qū)動器的多機應用要求實時性高、數(shù)據(jù)量大等特點，提出了基于CANopen總線協(xié)議的解決方案，采用了以F28M35H52C為主控制器的伺服驅(qū)動器硬件平臺，著重分析并實現(xiàn)了CANopen協(xié)議中的協(xié)議結構、數(shù)據(jù)格式以及DS-301和DS-402子協(xié)議，使用臺達CANopen主站設備與伺服驅(qū)動器建立CANopen網(wǎng)絡實驗環(huán)境。實驗結果表明CANopen協(xié)議在伺服驅(qū)動器中可成功實現(xiàn)伺服驅(qū)動器的多機控制。

關鍵詞：F28M35H52C；CANopen；現(xiàn)場總線；伺服驅(qū)動器

0　引言

F28M35H52C是TI公司推出的Concerto系列的雙核微處理器，主機子系統(tǒng)CPU采用ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核，最高主頻可達100MHz，主機子系統(tǒng)負責穩(wěn)健的通信，具有非常完整的外設，如以太網(wǎng)、CAN、I2C、USB、UART等，主機子系統(tǒng)實現(xiàn)了開發(fā)人員的生態(tài)環(huán)境，負責操作系統(tǒng)、中間件、軟件（SW）基礎結構［1］?？刂谱酉到y(tǒng)采用的是TI的C28x微處理器，最高主頻可達150MHz，主要完成對伺服電機的控制，兩個子系統(tǒng)設計了共享的片上RAM以及IPC通信，相互之間可以快速交換數(shù)據(jù)，這比以往的單獨的DSP或者DSP+FPGA的架構性能更加優(yōu)越。

CAN（Controller Area Network）稱為控制器局域網(wǎng)，屬于總線式通訊網(wǎng)絡。它是20世紀80年代初德國BOSCH公司提出為解決汽車內(nèi)部眾多控制器與測量設備之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡［2］，具有高可靠性、高性能等優(yōu)點。CANopen協(xié)議是CIA協(xié)會基于CAN總線定義的應用層協(xié)議之一，在各種控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用［3］。目前廣泛應用于伺服驅(qū)動器、儀器儀表等大量設備中。

圖1　伺服驅(qū)動器硬件框圖

1　伺服驅(qū)動器硬件介紹

eQEP（Enhanced Quadrature Encoder Pulse）增強型正交編碼脈沖接口連接增量式編碼器進行測速，eCAP（Enhanced Capture）接口連接霍爾位置傳感器在上電瞬間檢測電機轉子所在的扇區(qū)位置，也可測速?；魻栯娏鱾鞲衅鳈z測電機的相電流，電機的三相電流只需檢測任意其中的兩相的電流，通過計算可獲取剩余的一相電流。F28M35H52C有兩個CAN控制器，最高波特率為1MBit/s，電路圖如圖2所示。

常用的120Ω終端電阻根據(jù)需要可外接在P201接線端子的2、3腳，采用了6N137高速光耦進行隔離。

圖2　CAN通信電路圖

2　CANopen通信子協(xié)議DS-301分析［6］

2.1OD 對象字典

對象字典（OD Object Dictionary）是CANopen 的核心概念，網(wǎng)絡中每個節(jié)點都有一個對象字典。對象字典描述了本設備和它的通信行為的所有參數(shù)，它是一個有序的對象組，每個對象采用一個16位的索引（index）和一個8位的子索引（subindex）來確定該對象的訪問入口地址［7］。主站通過對象詞典中索引號為0x1018的參數(shù)來識別設備，每個從站設備都必須有一個相對應的EDS （Electronic data sheet）文件。EDS文件定義了設備所有與CANopen協(xié)議相關的參數(shù)。

2.2CANopen報文結構

CAN報文中，仲裁域用來區(qū)分幀類型的優(yōu)先級，而在CANopen報文中，除了區(qū)分幀類型的優(yōu)先級外還需區(qū)分報文的種類。在CANopen協(xié)議中，11位仲裁位稱為 COB-ID（Communication Object Identifier），分為兩部分。高4位仲裁位為功能碼（Function Code），主要用于區(qū)分報文類型；低7位仲裁位為節(jié)點地址（Node-ID），Node-ID取值范圍為1-127。如果Node-ID為0，則廣播至所有CANopen從站。

表1　CANopen報文結構

CANopen協(xié)議通過功能碼的不同定義了不同類型的報文，主要有以下類型報文：NMT（Network Management Object）報文、PDO（Process Data Object）報文、SDO（Service Data Object）報文、SYNC（Synchronisation Object）報文、EMCY（Emergency Object）報文、心跳（Heartbeat）報文等。

2.3網(wǎng)絡管理對象（NMT）

NMT（Network Management）網(wǎng)絡管理基于主從結構（Master/Slaver），這就要求在網(wǎng)絡中有一個節(jié)點專門作為NMT管理者，即NMT主站，其他為從站［8］。

表2　NMT報文結構

主站通過發(fā)送NMT報文控制著CANopen網(wǎng)絡中每一個從站設備的節(jié)點狀態(tài)，從站設備只需根據(jù)NMT報文在不同的狀態(tài)間切換即可。

圖3　NMT狀態(tài)機

圖3表明了在不同狀態(tài)下所支持的報文類型A：NMT B：Heartbeat C：SDO D：Emergency E：PDO F：Boot-up。相關切換命令如表3所示。

從站設備在上電或者復位后，設備會首先進入Initialization狀態(tài)。在Initialization狀態(tài)中從站設備主要執(zhí)行一些初始化程序，初始化程序完成后從站設備會發(fā)送一條Boot-Up報文，然后自動進入Pre-Operational狀態(tài)，此后從站的節(jié)點狀態(tài)完全由主站控制。

NMT還提供了差錯控制服務，主要用于檢測網(wǎng)絡中的設備是否在線和設備的當前狀態(tài)。主要有節(jié)點保護報文（Node Guarding）和心跳報文（Heartbeat），節(jié)點保護報文是主站周期性發(fā)送遠程幀給從站，從站回復當前節(jié)點狀態(tài)給主站。心跳報文是從站周期性發(fā)送心跳報文給主站，主站如果在超過規(guī)定時間內(nèi)沒收到從站發(fā)過來的報文，就認為該從站通信出現(xiàn)錯誤。一般情況下，從站通信出現(xiàn)錯誤，主站會發(fā)送NMT報文使該從站復位，通過SDO協(xié)議再次配置從站的對象詞典。一個從站設備必須選擇節(jié)點保護報文和心跳報文中一種的報文。

表4　心跳報文結構

設備節(jié)點的不同狀態(tài)由節(jié)點狀態(tài)一下的相應的值表示。

表5　心跳報文含義

2.4服務數(shù)據(jù)對象（SDO）

SDO（Service Data Object）報文主要用來訪問設備的對象字典，對CANopen網(wǎng)絡中的設備進行配置。SDO主要有為加速傳送、分段傳送和塊傳送這三種傳送機制，其發(fā)送的報文必須得到接收者的確認。

2.5過程數(shù)據(jù)對象（PDO）

PDO（Process Data Object）報文不需要接收者的確認，主要用來傳輸實時性較高的數(shù)據(jù)，例如伺服驅(qū)動器中的電流、速度、位置等。PDO采用生產(chǎn)者/消費者通信方式，數(shù)據(jù)從一個生產(chǎn)者傳到一個或多個消費者，數(shù)據(jù)長度限制在8個字節(jié)之內(nèi)［9］。報文主要通對象詞典中的映射參數(shù)和通訊參數(shù)來描述。

2.6特殊功能對象

特殊功能對象主要包括緊急對象（E M C Y Emergency Object）和同步對象（SYNC Synchronisation Object）。伺服驅(qū)動器作為EMCY的生產(chǎn)者，當設備發(fā)生故障時，會發(fā)送EMCY報文。例如：驅(qū)動器過載，過流，欠壓等故障。SYNC報與PDO傳輸密切相關，例如在運動控制中，通過設置PDO的傳輸類型為同步傳輸，可以實現(xiàn)多個設備數(shù)據(jù)的同步。同一個CANopen網(wǎng)絡中只允許一個激活的SYNC報文生產(chǎn)者。

2.7CANopen設備子協(xié)議分析DS-402［10］

DS-402子協(xié)議主要描述了運動控制設備相關規(guī)范。主要利用控制字（0x6040）和狀態(tài)字（0x6041）控制和觀測伺服驅(qū)動器的運行狀況，狀態(tài)機如圖4所示。

圖4　狀態(tài)機

圖4［10］表明了狀態(tài)機、控制字、狀態(tài)字之間的關系，控制字控制著狀態(tài)機的切換，狀態(tài)字反映了當前的驅(qū)動器的狀態(tài)。

CANopen協(xié)議的實現(xiàn)：

CANopen軟件主要包含CAN接收中斷程序、定時中斷程序及主程序三部分；在CAN接收中斷程序中，讀取CAN數(shù)據(jù)并放置在一個環(huán)形隊列中，環(huán)形隊列中的數(shù)據(jù)解析在主程序中完成；定時器中斷用于計時，以確定心跳包、PDO等報文所需的精準時間；主程序中完成了大部分的CANopen協(xié)議。Cortex-M3端流程圖如圖5所示。

圖5　Cortex-M3端流程圖

3　實驗

采用臺達CANopen主站DVPCOPM-SL、伺服驅(qū)動器及USB轉CAN工具建立CANopen測試網(wǎng)絡，如圖6所示。

圖6　測試網(wǎng)絡圖

通過CANopenBuilder軟件配置主站DVPCOPM需要完成導入EDS文件、在線掃描設備、配置主站參數(shù)等主要操作。按照圖6連接好設備后，使用CANopenBuilder軟件在線掃描設備，結果如圖7所示。

圖7　在線掃描結果

圖7中，主站已經(jīng)掃描到一個設備，006為從站設備的節(jié)點地址，GuilinServo為設備生產(chǎn)廠商名稱。使用USB轉CAN工具監(jiān)控CAN總線的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8表明節(jié)點地址為6的伺服驅(qū)動器已經(jīng)工作在“操作”狀態(tài)，伺服驅(qū)動器的各種類型報文與CANopen主站通信正常，表明該設計成功。

圖8　上位機軟件監(jiān)控的數(shù)據(jù)

4　結束語

在CANopen Builder軟件環(huán)境中進行了主從站的通訊調(diào)試，主從站之間沒有報文丟失的現(xiàn)象，進行了參數(shù)設置、正常運行及急停試驗，試驗表明以F28M35H52C為主控制器的伺服驅(qū)動器硬件設計方案，實現(xiàn)了CANopen協(xié)議中DS-301和DS-402子協(xié)議，成功完成多伺服驅(qū)動器控制功能。對在CANopen網(wǎng)絡下的多伺服驅(qū)動器的應用有借鑒與指導意義。

參考文獻：

［1］ 張立偉.基于F28M35的全電腦針織橫機伺服驅(qū)動器的研究［D］.杭州：杭州電子科技大學，2014.

［2］ 王桂榮，錢劍敏.CAN總線和基于CAN總線的高層協(xié)議［J］.計算機測量與控制，2003，05：391-394.

［3］ 孫樹文，楊建武，張慧慧，趙建光.基于CANopen協(xié)議的分布式控制系統(tǒng)I/O從站設計［J］.計算機測量與控制，2007，12：1705-1707.

［4］ Texas Instruments Inc..F28M35Hx Concerto Microcontroller［EB］. 2011：153-160.

［5］ Texas Instruments Inc. Concerto F28M35x Technical Reference Manual［Z］.2011.

［6］ CAN in Automation. Application Layer and Communication Profile［Z］.CiA Draft Standard 301，Version 4.02，2002.

［7］ 馬成才.基于CANopen協(xié)議的交流伺服驅(qū)動器從站研究［D］.南京：南京航空航天大學，2012.

［8］ 楊曉航.CANopen從站通訊模塊的開發(fā)與應用［D］.南京理工大學，2014.

［9］ 王碩，李恩，趙曉光.CANopen協(xié)議在高空作業(yè)車控制系統(tǒng)中的應用［J］.制造業(yè)自動化，2011，33（2）.

［10］ CAN in Automation.CiA Draft Standard Proposal DSP-402 CANopen Device Profile for Drives and Motion Control［S］. Version 1.1，1998，10.

Implementation of the slave station for servo driver based on CANopen protocol

SUN Xuan1， JIANG Wen-kai1， LIAO Wen-qi2

中圖分類號：TM3

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0009-05

收稿日期：2016-01-19

作者簡介：孫旋（1970 -），男，湖北人，碩士，研究方向為結構的強度效驗、疲勞性分析及可靠性分析；PZT壓電材料在鋼結構損傷檢測的應用研究；信號的檢測、分析及其數(shù)據(jù)處理。