基于CAN總線的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

曾武 陽衛(wèi)偉 袁雄兵

摘? ?要：鑒于交流伺服電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)繁瑣、可操作性差、控制線路復(fù)雜、可靠性不高、實時性差等，提出了一種基于CANopen協(xié)議的CAN總線伺服電機(jī)驅(qū)動控制設(shè)計方法。CAN總線接口技術(shù)用于構(gòu)建硬件平臺，CANopen協(xié)議棧程序和電機(jī)控制程序在CCS 軟件開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)，并利用PC上位機(jī)監(jiān)控。實驗結(jié)果表明，交流伺服驅(qū)動器采用CAN總線與PC上位機(jī)通信，控制簡便，實時效果好，數(shù)據(jù)傳輸速度快。

關(guān)鍵詞：CAN總線;CANopen協(xié)議;交流伺服系統(tǒng);監(jiān)控主站;對象字典;狀態(tài)機(jī)

中圖分類號：TP274? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003—6199（2020）02—0021—04

Abstract：Aiming at the problems of AC servo drive system such as tedious parameter setting，poor operational，complex wiring and poor real-time capability and so on，the design of CAN-bus servo drive control system based on CANopen is described mainly. The hardware platform is built by using the CAN-bus interface technology，the software in CCS is realized such as the CANopen protocol stack program and the motor control program. Finally the PC Monitoring interface is made. Experimental results show that，by using CAN-bus communication between PC and AC servo motor，there are many advantages in AC servo drive system，such as the control is simple，the real-time effect quickly，the data transmission is rapid and reliable.

Key words：CAN bus;CANopen protocol;AC servo system;controlling master station;object directory;state machine

近年來，通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及微電子技術(shù)迅猛發(fā)展，現(xiàn)場總線在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域研究設(shè)計已趨于潮流?？刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，簡稱CAN）總線具備良好的實時性和可靠性、優(yōu)良的設(shè)備兼容性和互操作性、較低的網(wǎng)絡(luò)成本，應(yīng)用在工業(yè)自動化領(lǐng)域已成熱點，而作為CAN總線高層應(yīng)用協(xié)議之一的CANopen協(xié)議，精煉易懂，便于理解，在歐洲工業(yè)領(lǐng)域已應(yīng)用廣泛。伺服電機(jī)控制技術(shù)作為有色冶金等工業(yè)自動化領(lǐng)域的重要技術(shù)，是行業(yè)內(nèi)研究設(shè)計亮點，但可操作性差，現(xiàn)場布線復(fù)雜、可靠性不高、網(wǎng)絡(luò)通信能力差等是傳統(tǒng)伺服電機(jī)控制凸出問題，利用CANopen協(xié)議的CAN總線實現(xiàn)伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，在國內(nèi)應(yīng)用設(shè)計實現(xiàn)不

多[1]-[3]。采用CAN總線中CANopen通訊協(xié)議，對伺服驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，完成電機(jī)驅(qū)動器與上位機(jī)之間CAN總線通信，實現(xiàn)基于CANopen協(xié)議通訊的伺服電機(jī)的多種模式控制。

1? ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及eCAN接口模塊

1.1? ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計重點是在伺服驅(qū)動器上實現(xiàn)CANopen應(yīng)用層協(xié)議，利用已有豐富硬件平臺資源，將CANopen協(xié)議從節(jié)點功能用軟件嵌入在電機(jī)驅(qū)動器中，CANopen協(xié)議通訊框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2? ?eCAN接口模塊

設(shè)計采用TI的TMS320F2812-DSP，該芯片集成了增強(qiáng)型CAN總線通信接口eCAN模塊[4]，有效節(jié)省了硬件開銷，在eCAN模塊外增接SH65HVD23x CAN收發(fā)器連接，eCAN模塊及外圍組件如3圖所示，CAN總線滿足高速CAN總線電平特性。

2? ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

在CCS軟件中設(shè)計完成軟件部分，主要包括三部分：通訊報文處理、CANopen對象字典、控制模式。上電后，初始化各個模塊，進(jìn)入主循環(huán)程序，先以COB-ID對CAN報文掃描處理，再判斷有效控制字和狀態(tài)字指令，最后執(zhí)行運(yùn)行模式操作，軟件程序流程如圖4所示。

2.1? ?報文處理

為不增加CPU運(yùn)行開銷，拖累電流環(huán)等實時反應(yīng)系統(tǒng)模塊，對NMT（網(wǎng)絡(luò)管理報文）、PDO（進(jìn)程數(shù)據(jù)對象）、SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對象）采用查詢方式處理，采用中斷方式對同步報文處理，調(diào)用獨立通信函數(shù)功能模塊來分類、接收和發(fā)送信息，eCAN模塊使用郵箱管理模式指定郵箱綁定到特定報文COB-ID，實現(xiàn)不同功能報文處理，報文處理流程如圖5所示，eCAN模塊郵箱與報文綁定如表1所示。

2.2? ?對象字典實現(xiàn)

將驅(qū)動器所有參數(shù)結(jié)構(gòu)加入對象詞典立標(biāo)準(zhǔn)字典項，定義對象字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CO_OD[ ]，程序通過調(diào)用函數(shù)CO_FindEntryInOD（）查找對象入口地址，再調(diào)用函數(shù)CO_OD_Read（）和函數(shù)CO_OD_Write（）讀寫對象字典。對象字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下

typedef struct {

unsigned int? ?index; // 索引

unsigned char? subindex;// 子索引

unsigned char? attribute;// 讀寫屬性

unsigned char? length;// 數(shù)據(jù)字節(jié)長度

ROM void *pData;// 存放地址的指針

} CO_OD

2.3? ?控制模式實現(xiàn)

在CANopen協(xié)議中，有專用于驅(qū)動和運(yùn)動控制子協(xié)議DS-402，其定義了驅(qū)動器的操作模式和響應(yīng)參數(shù)，還定義了用于控制驅(qū)動器的狀態(tài)機(jī)，對象字典中的指令字（索引6040h）控制驅(qū)動器狀態(tài)機(jī)，并狀態(tài)字（索引6041h）顯示驅(qū)動器狀態(tài)機(jī)中的每個狀態(tài)，驅(qū)動器狀態(tài)機(jī)有復(fù)雜的指令字和狀態(tài)字[5]-[8]。驅(qū)動器狀態(tài)機(jī)如圖6所示。

狀態(tài)機(jī)包括“主電關(guān)閉”、“主電打開”和“報錯”三部分。上電后，驅(qū)動器初始化完成，進(jìn)入“未準(zhǔn)備啟動”狀態(tài)，對驅(qū)動器進(jìn)行工作模式配置等，此時，電源仍處于關(guān)閉狀態(tài)且電機(jī)未通電狀態(tài)，在狀態(tài)傳輸2、3、4之后，進(jìn)入“允許操作”狀態(tài)后，主電已接通，驅(qū)動器根據(jù)控制指令配置工作模式運(yùn)行電機(jī)。在狀態(tài)傳輸9完成后，主電源關(guān)閉，并且驅(qū)動器在狀態(tài)傳輸期間中產(chǎn)生報警，驅(qū)動器的狀態(tài)都進(jìn)入報“錯誤”。

設(shè)計實現(xiàn)驅(qū)動和控制協(xié)議DS-402的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式PV模式和PP模式，程序中首先讀取PDO報文映射對象字典中控制字和狀態(tài)字，然后調(diào)用運(yùn)行模式的中間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)接口與驅(qū)動器運(yùn)動控制程序的關(guān)聯(lián)中間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)接口，并將設(shè)置模式相關(guān)參數(shù)值寫入位置環(huán)、速度環(huán)，最后執(zhí)行控制模式操作，如圖7所示為程序設(shè)計流程圖。整個軟件程序在CCS中調(diào)試完成后，燒寫入驅(qū)動器DSP中。

3? ?實驗驗證

設(shè)計PC上位機(jī)監(jiān)控主站采用VB 6.0編程開發(fā)，主站通過PC機(jī)接一個USB-CAN通信卡擴(kuò)展出CAN總線接口，連接到伺服驅(qū)動器eCAN模塊接口，將驅(qū)動器設(shè)置為CAN通信模式，并開驅(qū)動器電源。

打開監(jiān)控主站界面，將設(shè)備索引設(shè)置為0，選擇第0通道CAN，配置好驅(qū)動器設(shè)備成功后，配置初始化CAN參數(shù)，通信波特率設(shè)為1 Mbps，心跳周期為1 s，濾波方式設(shè)為雙濾波，模式設(shè)為正常模式。設(shè)定控制模式為PV模式 ，目標(biāo)速度設(shè)定為800 rpmin。測得電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖8（1）所示。

將控制模式設(shè)置為PP模式，將目標(biāo)位置設(shè)置為1000 r，并測量電機(jī)轉(zhuǎn)子位置變化，如圖8（2）所示。實驗結(jié)果表明，用戶可以通過PC上位主機(jī)方便地監(jiān)控電機(jī)，實現(xiàn)基于CAN總線通訊的交流伺服驅(qū)動器上運(yùn)行CANopen協(xié)議。

4? ?結(jié) 論

介紹了在交流伺服驅(qū)動器中植入CANopen協(xié)議從節(jié)點功能的設(shè)計方法，并采用CANopen協(xié)議實現(xiàn)PC上位主機(jī)與伺服電機(jī)驅(qū)動器之間CAN總線通信，方法簡便易行，實驗驗證效果良好。

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