基于CANopen協(xié)議的伺服驅(qū)動(dòng)器從站實(shí)現(xiàn)

孫 旋，蔣文凱，廖文琦

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

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基于CANopen協(xié)議的伺服驅(qū)動(dòng)器從站實(shí)現(xiàn)

孫 旋1，蔣文凱1，廖文琦2

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

摘 要：針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的多機(jī)應(yīng)用要求實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，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(dòng)器硬件平臺(tái)，著重分析并實(shí)現(xiàn)了CANopen協(xié)議中的協(xié)議結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式以及DS-301和DS-402子協(xié)議，使用臺(tái)達(dá)CANopen主站設(shè)備與伺服驅(qū)動(dòng)器建立CANopen網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CANopen協(xié)議在伺服驅(qū)動(dòng)器中可成功實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器的多機(jī)控制。

關(guān)鍵詞：F28M35H52C；CANopen；現(xiàn)場(chǎng)總線；伺服驅(qū)動(dòng)器

0　引言

F28M35H52C是TI公司推出的Concerto系列的雙核微處理器，主機(jī)子系統(tǒng)CPU采用ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核，最高主頻可達(dá)100MHz，主機(jī)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)穩(wěn)健的通信，具有非常完整的外設(shè)，如以太網(wǎng)、CAN、I2C、USB、UART等，主機(jī)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了開發(fā)人員的生態(tài)環(huán)境，負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)、中間件、軟件（SW）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)［1］。控制子系統(tǒng)采用的是TI的C28x微處理器，最高主頻可達(dá)150MHz，主要完成對(duì)伺服電機(jī)的控制，兩個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dú)的DSP或者DSP+FPGA的架構(gòu)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(luò)。它是20世紀(jì)80年代初德國(guó)BOSCH公司提出為解決汽車內(nèi)部眾多控制器與測(cè)量設(shè)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(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)［2］，具有高可靠性、高性能等優(yōu)點(diǎn)。CANopen協(xié)議是CIA協(xié)會(huì)基于CAN總線定義的應(yīng)用層協(xié)議之一，在各種控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［3］。目前廣泛應(yīng)用于伺服驅(qū)動(dòng)器、儀器儀表等大量設(shè)備中。

圖1　伺服驅(qū)動(dòng)器硬件框圖

1　伺服驅(qū)動(dòng)器硬件介紹

eQEP（Enhanced Quadrature Encoder Pulse）增強(qiáng)型正交編碼脈沖接口連接增量式編碼器進(jìn)行測(cè)速，eCAP（Enhanced Capture）接口連接霍爾位置傳感器在上電瞬間檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子所在的扇區(qū)位置，也可測(cè)速。霍爾電流傳感器檢測(cè)電機(jī)的相電流，電機(jī)的三相電流只需檢測(cè)任意其中的兩相的電流，通過計(jì)算可獲取剩余的一相電流。F28M35H52C有兩個(gè)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(jìn)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(duì)象字典

對(duì)象字典（OD Object Dictionary）是CANopen 的核心概念，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)象字典。對(duì)象字典描述了本設(shè)備和它的通信行為的所有參數(shù)，它是一個(gè)有序的對(duì)象組，每個(gè)對(duì)象采用一個(gè)16位的索引（index）和一個(gè)8位的子索引（subindex）來確定該對(duì)象的訪問入口地址［7］。主站通過對(duì)象詞典中索引號(hào)為0x1018的參數(shù)來識(shí)別設(shè)備，每個(gè)從站設(shè)備都必須有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的EDS （Electronic data sheet）文件。EDS文件定義了設(shè)備所有與CANopen協(xié)議相關(guān)的參數(shù)。

2.2CANopen報(bào)文結(jié)構(gòu)

CAN報(bào)文中，仲裁域用來區(qū)分幀類型的優(yōu)先級(jí)，而在CANopen報(bào)文中，除了區(qū)分幀類型的優(yōu)先級(jí)外還需區(qū)分報(bào)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(bào)文類型；低7位仲裁位為節(jié)點(diǎn)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(bào)文結(jié)構(gòu)

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

2.3網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象（NMT）

NMT（Network Management）網(wǎng)絡(luò)管理基于主從結(jié)構(gòu)（Master/Slaver），這就要求在網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)專門作為NMT管理者，即NMT主站，其他為從站［8］。

表2　NMT報(bào)文結(jié)構(gòu)

主站通過發(fā)送NMT報(bào)文控制著CANopen網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)從站設(shè)備的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，從站設(shè)備只需根據(jù)NMT報(bào)文在不同的狀態(tài)間切換即可。

圖3　NMT狀態(tài)機(jī)

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

從站設(shè)備在上電或者復(fù)位后，設(shè)備會(huì)首先進(jìn)入Initialization狀態(tài)。在Initialization狀態(tài)中從站設(shè)備主要執(zhí)行一些初始化程序，初始化程序完成后從站設(shè)備會(huì)發(fā)送一條Boot-Up報(bào)文，然后自動(dòng)進(jìn)入Pre-Operational狀態(tài)，此后從站的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)完全由主站控制。

NMT還提供了差錯(cuò)控制服務(wù)，主要用于檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備是否在線和設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。主要有節(jié)點(diǎn)保護(hù)報(bào)文（Node Guarding）和心跳報(bào)文（Heartbeat），節(jié)點(diǎn)保護(hù)報(bào)文是主站周期性發(fā)送遠(yuǎn)程幀給從站，從站回復(fù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)狀態(tài)給主站。心跳報(bào)文是從站周期性發(fā)送心跳報(bào)文給主站，主站如果在超過規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒收到從站發(fā)過來的報(bào)文，就認(rèn)為該從站通信出現(xiàn)錯(cuò)誤。一般情況下，從站通信出現(xiàn)錯(cuò)誤，主站會(huì)發(fā)送NMT報(bào)文使該從站復(fù)位，通過SDO協(xié)議再次配置從站的對(duì)象詞典。一個(gè)從站設(shè)備必須選擇節(jié)點(diǎn)保護(hù)報(bào)文和心跳報(bào)文中一種的報(bào)文。

表4　心跳報(bào)文結(jié)構(gòu)

設(shè)備節(jié)點(diǎn)的不同狀態(tài)由節(jié)點(diǎn)狀態(tài)一下的相應(yīng)的值表示。

表5　心跳報(bào)文含義

2.4服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO）

SDO（Service Data Object）報(bào)文主要用來訪問設(shè)備的對(duì)象字典，對(duì)CANopen網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)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(jī)制，其發(fā)送的報(bào)文必須得到接收者的確認(rèn)。

2.5過程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO）

PDO（Process Data Object）報(bào)文不需要接收者的確認(rèn)，主要用來傳輸實(shí)時(shí)性較高的數(shù)據(jù)，例如伺服驅(qū)動(dòng)器中的電流、速度、位置等。PDO采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信方式，數(shù)據(jù)從一個(gè)生產(chǎn)者傳到一個(gè)或多個(gè)消費(fèi)者，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度限制在8個(gè)字節(jié)之內(nèi)［9］。報(bào)文主要通對(duì)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(duì)象

特殊功能對(duì)象主要包括緊急對(duì)象（E M C Y Emergency Object）和同步對(duì)象（SYNC Synchronisation Object）。伺服驅(qū)動(dòng)器作為EMCY的生產(chǎn)者，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，會(huì)發(fā)送EMCY報(bào)文。例如：驅(qū)動(dòng)器過載，過流，欠壓等故障。SYNC報(bào)與PDO傳輸密切相關(guān)，例如在運(yùn)動(dòng)控制中，通過設(shè)置PDO的傳輸類型為同步傳輸，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)的同步。同一個(gè)CANopen網(wǎng)絡(luò)中只允許一個(gè)激活的SYNC報(bào)文生產(chǎn)者。

2.7CANopen設(shè)備子協(xié)議分析DS-402［10］

DS-402子協(xié)議主要描述了運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備相關(guān)規(guī)范。主要利用控制字（0x6040）和狀態(tài)字（0x6041）控制和觀測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀況，狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

圖4　狀態(tài)機(jī)

圖4［10］表明了狀態(tài)機(jī)、控制字、狀態(tài)字之間的關(guān)系，控制字控制著狀態(tài)機(jī)的切換，狀態(tài)字反映了當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)。

CANopen協(xié)議的實(shí)現(xiàn)：

CANopen軟件主要包含CAN接收中斷程序、定時(shí)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(gè)環(huán)形隊(duì)列中，環(huán)形隊(duì)列中的數(shù)據(jù)解析在主程序中完成；定時(shí)器中斷用于計(jì)時(shí)，以確定心跳包、PDO等報(bào)文所需的精準(zhǔn)時(shí)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(shí)驗(yàn)

采用臺(tái)達(dá)CANopen主站DVPCOPM-SL、伺服驅(qū)動(dòng)器及USB轉(zhuǎn)CAN工具建立CANopen測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

圖6　測(cè)試網(wǎng)絡(luò)圖

通過CANopenBuilder軟件配置主站DVPCOPM需要完成導(dǎo)入EDS文件、在線掃描設(shè)備、配置主站參數(shù)等主要操作。按照?qǐng)D6連接好設(shè)備后，使用CANopenBuilder軟件在線掃描設(shè)備，結(jié)果如圖7所示。

圖7　在線掃描結(jié)果

圖7中，主站已經(jīng)掃描到一個(gè)設(shè)備，006為從站設(shè)備的節(jié)點(diǎn)地址，GuilinServo為設(shè)備生產(chǎn)廠商名稱。使用USB轉(zhuǎn)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(diǎn)地址為6的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)工作在“操作”狀態(tài)，伺服驅(qū)動(dòng)器的各種類型報(bào)文與CANopen主站通信正常，表明該設(shè)計(jì)成功。

圖8　上位機(jī)軟件監(jiān)控的數(shù)據(jù)

4　結(jié)束語

在CANopen Builder軟件環(huán)境中進(jìn)行了主從站的通訊調(diào)試，主從站之間沒有報(bào)文丟失的現(xiàn)象，進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置、正常運(yùn)行及急停試驗(yàn)，試驗(yàn)表明以F28M35H52C為主控制器的伺服驅(qū)動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)方案，實(shí)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(dòng)器控制功能。對(duì)在CANopen網(wǎng)絡(luò)下的多伺服驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用有借鑒與指導(dǎo)意義。

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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(hào)：TM3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0009-05

收稿日期：2016-01-19

作者簡(jiǎn)介：孫旋（1970 -），男，湖北人，碩士，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度效驗(yàn)、疲勞性分析及可靠性分析；PZT壓電材料在鋼結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的應(yīng)用研究；信號(hào)的檢測(cè)、分析及其數(shù)據(jù)處理。