基于CANopen協(xié)議的直線電機(jī)監(jiān)控主站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尹水紅，朱永超

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

電磁發(fā)射技術(shù)[1]是利用電磁力驅(qū)動(dòng)發(fā)射物體將其加速到超高速的新型發(fā)射技術(shù)。電磁彈射器與傳統(tǒng)蒸汽彈射器相比，具有輸出推力大、可控性好、能量轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、民用和工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

某武器發(fā)射裝置由直線電機(jī)、儲(chǔ)能裝置、驅(qū)動(dòng)設(shè)備和控制上位機(jī)等組成，為實(shí)現(xiàn)發(fā)射過程中快速、精確控制以及短時(shí)內(nèi)大量狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，上位機(jī)與驅(qū)動(dòng)設(shè)備需選擇合適的通信方式，以確保監(jiān)控系統(tǒng)的性能。CAN總線由于其突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，在工業(yè)自動(dòng)化、汽車、船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，基于CAN應(yīng)用層的CANopen協(xié)議具有實(shí)時(shí)高效、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，其標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一的系統(tǒng)通信模式，使得設(shè)計(jì)開發(fā)更高效與規(guī)范。

本文提出了基于CANopen協(xié)議的直線電機(jī)監(jiān)控主站設(shè)計(jì)方案，介紹了監(jiān)控主站的協(xié)議設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)，通過應(yīng)用測(cè)試驗(yàn)證了監(jiān)控系統(tǒng)的性能。

1 CANopen通信協(xié)議介紹

CANopen協(xié)議[2]是由CIA組織開發(fā)的基于CAN總線的應(yīng)用層高層協(xié)議，它主要提供設(shè)備間的互操作性，標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一的系統(tǒng)通訊模式，設(shè)備描述方式和網(wǎng)絡(luò)功能以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能的任意擴(kuò)展，在工業(yè)控制中具有良好的應(yīng)用前景。

CAN總線上的信息以固定格式的報(bào)文進(jìn)行傳輸，這些數(shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過載幀4種。與用戶編程有關(guān)的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，幀格式如下：

在以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)由軟件編程配置CAN總線控制器完成，幀起始、CRC段和應(yīng)答場(chǎng)由CAN總線控制器完成。

表 1 CAN數(shù)據(jù)幀格式Tab. 1 Format of Can data frame

CANopen總線的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層，完全按照CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用層，為應(yīng)對(duì)不同制造商設(shè)備之間的互操作性和設(shè)備互換性的要求，將標(biāo)識(shí)符和傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，確定不同的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸與管理。

CANopen采用面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行通信。一個(gè)CANopen設(shè)備模塊可以分為通信接口、對(duì)象詞典與應(yīng)用程序3個(gè)部分。

通信接口由CAN收發(fā)器、CAN控制器等組成，提供在總線上收發(fā)通信對(duì)象的服務(wù)。通信對(duì)象（COB）由過程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO）、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO）、預(yù)定義對(duì)象（同步、時(shí)間和緊急報(bào)文）和網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象（NMT和心跳、啟動(dòng)報(bào)文）組成。SDO對(duì)對(duì)象詞典進(jìn)行訪問，主要用于在設(shè)備配置過程中傳遞參數(shù)或大的數(shù)據(jù)。PDO用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，NMT用于對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

1.1 數(shù)據(jù)對(duì)象

CANopen應(yīng)用層描述了各種不同的通信對(duì)象（COB），這些通信對(duì)象都是由一個(gè)或多個(gè)CAN報(bào)文來實(shí)現(xiàn)的。通信對(duì)象分為以下4種類型：

過程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO），傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO），讀寫其他CANopen設(shè)備的對(duì)象字典；

預(yù)定義對(duì)象（同步、時(shí)間和緊急報(bào)文）；

網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象，控制NMT狀態(tài)和監(jiān)測(cè)設(shè)備。

1）過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO

過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO分為接收過程對(duì)象（RPDO）和發(fā)送過程對(duì)象（TPDO），其優(yōu)先級(jí)由對(duì)應(yīng)的CAN標(biāo)識(shí)符決定。通過設(shè)定PDO的傳輸類型，選擇事件驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)程觸發(fā)、同步傳輸?shù)韧ㄐ欧绞?，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

2）服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO

服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO為用戶提供了一種訪問內(nèi)部設(shè)備數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)途徑，設(shè)備數(shù)據(jù)由固定結(jié)構(gòu)——對(duì)象詞典管理。1個(gè)CANopen設(shè)備需提供至少1個(gè)SDO服務(wù)器，通過SDO客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

1.2 對(duì)象詞典

對(duì)象詞典是通信接口和應(yīng)用程序之間的接口，描述CANopen設(shè)備的全部功能，是所有數(shù)據(jù)的集合。對(duì)象詞典的對(duì)象可以通過一個(gè)已知的16位索引來識(shí)別。對(duì)象可以是一個(gè)變量、一個(gè)數(shù)組或一種結(jié)構(gòu)；數(shù)組和結(jié)構(gòu)中的單元又可以通過8位子索引進(jìn)行訪問。

CANopen協(xié)議將對(duì)象詞典進(jìn)行分配，用戶可以通過同一索引和子索引獲得設(shè)備中的通信對(duì)象，制造商相關(guān)的屬性則保留在事先規(guī)定的索引范圍內(nèi)。對(duì)象詞典保存了節(jié)點(diǎn)信息、通信參數(shù)和所有過程數(shù)據(jù)，是CANopen節(jié)點(diǎn)的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2 基于CANopen協(xié)議的直線電機(jī)監(jiān)控主站設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

本控制系統(tǒng)由上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、儲(chǔ)能裝置、直線電機(jī)等組成。上位機(jī)為監(jiān)控主站，儲(chǔ)能柜和驅(qū)動(dòng)柜為從站。主站與從站之間通過CANopen協(xié)議通信。主站發(fā)送充放電、供電、電流電壓限制等報(bào)文到儲(chǔ)能柜，實(shí)時(shí)接收儲(chǔ)能柜狀態(tài)信息；主站發(fā)送電機(jī)正反轉(zhuǎn)、參數(shù)設(shè)置等命令報(bào)文到驅(qū)動(dòng)柜，實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)柜狀態(tài)信息?？傮w結(jié)構(gòu)[3]如圖3所示。

2.2 CANopen通信協(xié)議

CANopen通信協(xié)議是本方案的核心部分，本協(xié)議基于CiA301標(biāo)準(zhǔn)[4]，通過4對(duì)PDO、SDO、NMT（網(wǎng)絡(luò)管理）、Emergency（緊急處理）、節(jié)點(diǎn)保護(hù)等報(bào)文實(shí)現(xiàn)通信。上位機(jī)節(jié)點(diǎn)號(hào)為0x01，儲(chǔ)能柜節(jié)點(diǎn)號(hào)為0x29，驅(qū)動(dòng)柜節(jié)點(diǎn)號(hào)為0x22。

通信協(xié)議[5–7]分為儲(chǔ)能柜和驅(qū)動(dòng)柜2部分。

2.2.1 儲(chǔ)能柜通信協(xié)議

本系統(tǒng)中，儲(chǔ)能柜與上位機(jī)之間的通信信息包括充放電、參數(shù)設(shè)置、電壓電流等參數(shù)，通過簡(jiǎn)化通信協(xié)議，采用3對(duì)PDO主動(dòng)上傳狀態(tài)，1個(gè)PDO發(fā)送命令的形式，本文不再詳細(xì)介紹。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)柜通信協(xié)議

驅(qū)動(dòng)柜與上位機(jī)之間通信信息除了電機(jī)正反轉(zhuǎn)、復(fù)位、預(yù)勵(lì)磁等命令、還有電機(jī)參數(shù)、矢量控制參數(shù)、保護(hù)參數(shù)、通信參數(shù)等眾多參數(shù)和實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)需要監(jiān)控，因此，驅(qū)動(dòng)柜與上位機(jī)協(xié)議是本文重點(diǎn)，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

驅(qū)動(dòng)柜與上位機(jī)之間通信對(duì)象的ID劃分及在本系統(tǒng)中定義見表2。

本系統(tǒng)使用索引范圍1 000 h～1FFF h實(shí)現(xiàn)對(duì)制造商相關(guān)屬性、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象等數(shù)據(jù)的定義。其中索引1 000 h～1 018 h定義了設(shè)備類型、制造商信息產(chǎn)品代碼等信息；索引1 200 h定義了SDO的COB-ID；索引1 400 h～1 403 h定義了4個(gè)PDO發(fā)送的通訊參數(shù)，其子索引包括COB-ID、傳輸類型、事件定時(shí)器，反應(yīng)了主站到從站的通信參數(shù)；索引1 600 h～1 603 h定義了4個(gè)PDO發(fā)送的映射參數(shù)，為主站對(duì)變頻器的設(shè)定值。索引1 800 h～1 803 h定義了4個(gè)PDO接收的通訊參數(shù)，其子索引包括COB-ID、傳輸類型、禁止時(shí)間和事件定時(shí)器，定義了從站到主站的通信參數(shù)；索引1A00 h～1A03 h定義了4個(gè)PDO接收的映射參數(shù)，為從站回復(fù)的過程變量。

驅(qū)動(dòng)柜參數(shù)通過地址映射，在驅(qū)動(dòng)柜中，每一個(gè)參數(shù)有一個(gè)唯一的地址，通過改變PDO的映射參數(shù)可以讀寫驅(qū)動(dòng)柜的任意參數(shù)。例如，本系統(tǒng)中PDO2發(fā)送的默認(rèn)映射參數(shù)有4個(gè)，在索引1601h的子索引1～4下，映射參數(shù)為0x21010010、0x21010310、0x21010410、0x21010510，分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)頻率、正轉(zhuǎn)速度限制、反轉(zhuǎn)速度限制和制動(dòng)位置限制。若將索引1601h的子索引1～4的映射參數(shù)設(shè)置為0x21010610、0x21010710、0x21010810、0x21010910，則 PDO2 發(fā)送對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)柜的參數(shù)為正轉(zhuǎn)電流限制、反轉(zhuǎn)電流限制、正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制。CANopen協(xié)議支持最多127個(gè)從站，使得數(shù)據(jù)傳輸與處理更為高效。

表 2 通信對(duì)象ID定義Tab. 2 Definition of communication object ID

2.3 CANopen通信軟件實(shí)現(xiàn)

本監(jiān)控主站軟件的任務(wù)是控制直線電機(jī)以一定速度正反轉(zhuǎn)，監(jiān)控運(yùn)行過程中電機(jī)的母線電壓、電流、位置、速度等參數(shù)。監(jiān)控主站軟件設(shè)計(jì)基于Windows操作系統(tǒng)，編程開發(fā)環(huán)境為Visual C6.0。VC開發(fā)平臺(tái)[8]具有良好的兼容性，基于MFC面向?qū)ο蟮目梢暬幊滔到y(tǒng)，使得用戶界面程序的開發(fā)更加簡(jiǎn)化。

監(jiān)控主站軟件[9–10]的流程如圖4所示。

主站程序由系統(tǒng)設(shè)置模塊、CANopen通信模塊、操作界面處理模塊、狀態(tài)數(shù)據(jù)處理模塊4個(gè)部分組成。其中系統(tǒng)設(shè)置模塊完成對(duì)從站通信參數(shù)（包括波特率、傳輸類型等）、PDO映射地址、儲(chǔ)能柜參數(shù)、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)（包括速度限制值、最大電流、母線電壓極限等）的初始化設(shè)置。CANopen通信模塊包括CANopen通道初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等函數(shù)。

本系統(tǒng)中，儲(chǔ)能柜的命令實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過1個(gè)TPDO定時(shí)中斷發(fā)送；狀態(tài)數(shù)據(jù)則通過4個(gè)RPDO主動(dòng)上傳。驅(qū)動(dòng)柜則通過4個(gè)PDO實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)運(yùn)行中的命令和參數(shù)的交互。PDO1通過功能碼（對(duì)應(yīng)參數(shù)地址）實(shí)現(xiàn)對(duì)所有參數(shù)的讀寫與更改；TPDO2，TPDO3，TPDO4存放控制命令字和常用的運(yùn)行參數(shù)，包括目標(biāo)頻率、速度限制、電流限制等；RPDO2，RPDO3，RPDO4存放電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，包括當(dāng)前運(yùn)行速度、母線電壓、輸出電流、電機(jī)溫度等。RPDO2，RPDO3，RPDO4的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此采用主動(dòng)上傳的方式。為提高數(shù)據(jù)處理效率，本系統(tǒng)中CAN數(shù)據(jù)接收通過2個(gè)接收線程實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能柜和驅(qū)動(dòng)柜的數(shù)據(jù)接收。

3 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

為了驗(yàn)證CANopen協(xié)議在本系統(tǒng)的應(yīng)用，將主從站系統(tǒng)按照?qǐng)D3方式進(jìn)行連接，系統(tǒng)運(yùn)行后，得到運(yùn)行中監(jiān)控曲線如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于CANopen協(xié)議的直線電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主站與從站能進(jìn)行良好的數(shù)據(jù)交換，各個(gè)報(bào)文均能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地接收與發(fā)送，CANopen主站具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高的特點(diǎn)，其技術(shù)方案值得在電機(jī)控制等應(yīng)用場(chǎng)合推廣。