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直流無刷電機和無刷直流電機信息智能網(wǎng)

利用CANopen協(xié)議實現(xiàn)伺服電機的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)設計
2022-06-16

基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡技術的研究是自動化領域發(fā)展的一個熱點，CANopen協(xié)議是目前流行于歐洲的基于CAN總線應用層的標準協(xié)議，對工程設計者來說，研究現(xiàn)場總線的核心任務就是對控制節(jié)點進行開發(fā)，本文就是通過實現(xiàn)伺服電機控制模塊的CANopen為協(xié)議，說明一個基于CANopen協(xié)議的控制網(wǎng)絡的組態(tài)。 伺服電機控制器在自動控制領域里有著廣泛的應用，如紡織機械和印刷機等，為了得到理想的速控效果，伺服電機模塊除了要在分辨率、線性程度以及轉換速率上達到一定的要求外，還應具有良好的在線可控性和實時在線狀態(tài)檢測功能，為此，利用CAN總線高層通信協(xié)議CANopen，結合陜西省教育廳“并條機自調勻整”項目對伺服電機控制模塊參數(shù)的要求，開發(fā)了一個具有硬件可重用性、軟件可重配置特點的伺服電機控制模塊。 1、 CANopen協(xié)議概述 CANopen協(xié)議是由CiA協(xié)會針對CAN協(xié)議的不完整性而定義出的一個更高層次的協(xié)議——應用層協(xié)議。一個CANopen設備模塊可分為3部分，如圖1所示，通信接口和協(xié)議軟件用于提供在總線上收發(fā)通信對象的服務，不同CANopen設備間的通信是通過交換通信對象來完成的。這一部分直接面向CAN控制器進行操作，對象字典描述了設備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信對象和應用對象，對象字典位于通信程序和應用程序之間，用于向應用程序提供接口，應用程序對對象字典進行操作，即可實現(xiàn)CANopen通信。它包括功能部分和通信部分，通信部分通過對對象字典進行操作實現(xiàn)CANopen通信，而功能部分則根據(jù)應用要求來實現(xiàn)。 在CANopen網(wǎng)絡系統(tǒng)中每個節(jié)點都有唯一的一個對象字典，而且每個節(jié)點的對象字典都具有相同的結構，但具體的內容要根據(jù)不同的設備而定，包含了描述該設備及其網(wǎng)絡行為的所有參數(shù)，CANopen協(xié)議還定義了4種報文（通信對象），用于對不同作用的信息進行處理，分別為管理報文（NMT）、服務數(shù)據(jù)對象（SDO），過程數(shù)據(jù)對象（PDO）和預定義報文或特殊功能對象。具體的CANopen協(xié)議內容可參考相關文檔。 2、 伺服電機模塊的硬件實現(xiàn) 伺服電機模塊應用Microchip公司生產(chǎn)的帶有CAN總線功能模塊的主頻為40M赫茲的PIC18F258單片機進行控制。根據(jù)并條機自調勻整系統(tǒng)對伺服電機的要求（9V－3000r/min，即3mV－1r/min），以及從總線上以1ms為周期發(fā)送來的D/A轉速控制數(shù)據(jù)，使用ADI公司的12位AD7243芯片進行D/A轉換，它具有300K赫茲轉換速率，3種可選擇的輸出電壓，分別是0～＋10V、0～＋5V和－5～＋5V，采用串行端口通信。 圖2為硬件電路簡圖，根據(jù)系統(tǒng)需求，設置AD7243電壓輸出為±5V，將AD7243芯片的ROFS引腳與REFIN引腳相連實現(xiàn)，在AD7243的輸出端接有OP07運算放大器，用于調整輸出電壓到±10V，以控制電機正反方向和調節(jié)轉速，圖中繼電器FDLL4148用于控制電機的啟動和停止，光耦TL521用于對伺服電機狀態(tài)采集時的隔離器，為實時了解伺服電機運行狀態(tài)，根據(jù)CANopen協(xié)議分別設計了用于指示系統(tǒng)當前狀態(tài)和錯誤的LED（綠色和紅色）指示燈。J1為與伺服控制器的接口插件。 圖2中，在OP07上接有調節(jié)零輸出偏置電壓的可調電位器R3；用ADuM1100高速數(shù)字隔離器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電耦合器，以降低功耗，提供精確的信號，MCP2551是一種可容錯的高速CAN收發(fā)器，具有差分發(fā)射和接收能力，可將許多節(jié)點與同一網(wǎng)絡相連接并采用非屏蔽線部署網(wǎng)絡，從而降低系統(tǒng)成本。 3 、伺服電機模塊的CANopen協(xié)議實現(xiàn) （1）CANopen協(xié)議實現(xiàn) 伺服電機模塊在CANopen網(wǎng)絡中作為從節(jié)點發(fā)揮作用，完成屬于自己范圍內的特定任務，進行實時數(shù)據(jù)傳輸，并對其負責的底層設備進行數(shù)據(jù)采集和控制，在實現(xiàn)CANopen協(xié)議之前，必須先了解它在網(wǎng)絡中的具體功能：通過CAN總線接收控制伺服電機的數(shù)據(jù)（包括轉速控制、啟動和停止），采樣伺服Ready信號和電機當前狀態(tài)回送到CAN總線。 CANopen協(xié)議的核心內容是對象字典，完成各種機器CANopen協(xié)議通信的實質是在對象字典的基礎上進行操作，通過映射的關系實現(xiàn)對各種報文數(shù)據(jù)的處理，根據(jù)伺服電機模塊的功能并結合CANopen協(xié)議各類報文的特征，定義了如表1和表2所列的屬性。 表1和表2定義的SDO報文和PDO報文分別用于讀/寫對象字典和傳送實時數(shù)據(jù)，PDO報文映射參數(shù)子索引的內容代表PDO報文中各字節(jié)的用途，比如：RxPDO報文映射參數(shù)子索引0x64110110L指對象字典索引0x6411和子索引0x01，占16位的數(shù)據(jù)內容，即控制電機轉速數(shù)據(jù)，此外，系統(tǒng)還定義了一個接收NMT報文，用于實現(xiàn)主節(jié)點對從結點的組態(tài)；一個 Heartbeat（心跳）報文，以5000ms為周期發(fā)送，使主節(jié)點實時監(jiān)測從節(jié)點狀態(tài)并在發(fā)生錯誤時及時進行處理。 除了上述用于實現(xiàn)伺服電機模塊預定義功能的報文外，還根據(jù)CANopen協(xié)議的指示燈規(guī)范設計了狀態(tài)（綠色）和錯誤（紅色）指示燈，通過定時器周期性地檢查CAN總線狀態(tài)寄存器和CANopen通信狀態(tài)標志，設置指示燈的常亮、閃亮和閃爍等狀態(tài)，可使用戶直觀地判斷當前機器所處的狀態(tài)，從而提高工作效率，具體的CANopen協(xié)議和指示燈規(guī)范可以參考相關文檔。 伺服電機控制模塊的設計是基于CANopen協(xié)議對象字典的模塊化設計，它可以方便地進行功能擴展，只須修改對象字典中報文映射參數(shù)，添加相應的功能模塊即可實現(xiàn)。與以往的基于CAN數(shù)據(jù)傳送協(xié)議相比，大大提出了系統(tǒng)效率，節(jié)約了有限的硬件資源，為功能的擴展和用途的延伸提供了方便。 （2）應用程序流程 伺服電機模塊上電以后，根據(jù)CANopen協(xié)議從節(jié)點的性質，系統(tǒng)在進行完初始化參數(shù)配置后，發(fā)送Boot－up報文通知主節(jié)點已進入預操作（preoperational）狀態(tài)，并在主循環(huán)中等待各種類型中斷的到來，在預操作狀態(tài)中，可接收主節(jié)點的SDO報文讀/寫對象字典。比如當無法使DA零點輸出偏置電壓達到標準值時，可以通過修改對象字典的電壓偏置值相來進行調整。NMT報文也可在預操作狀態(tài)中接收，用于改變節(jié)點狀態(tài)，進入伺服電機模塊實時傳輸PDO報文的操作（operational）狀態(tài)，開始系統(tǒng)的正常工作，一旦系統(tǒng)進入預操作狀態(tài)，就會以5000ms為周期發(fā)送Heartbeat報文使主節(jié)點實時監(jiān)控伺服電機模塊的狀態(tài)，當從節(jié)點發(fā)生錯誤時主節(jié)點就可以立刻采取措施，實現(xiàn)實時在線監(jiān)控的功能，圖3為中斷程序流程圖。 （3）基于PIC18F258微控制器的郵箱動態(tài)分配的實現(xiàn) 郵箱動態(tài)分配的任務是在不固定某個郵箱具體特性的同時，實現(xiàn)對郵箱中報文作用的判斷，通過郵箱的動態(tài)分配，可以節(jié)約系統(tǒng)資源，提高軟件靈活性，便于今后系統(tǒng)擴展。 在系統(tǒng)初始化過程中，實現(xiàn)了郵箱的動態(tài)分配，具體方法是：PIC18F258微控制器具有2個接收緩沖器和6個接收濾波器，其中：接收緩沖器0對應于接收濾波器0和1；接收緩沖器1對應于接收濾波器2、3、4和5。通過定義常數(shù)標志數(shù)組_uCANRxHndls［ i］（0≤i≤5），依次將要接收的報文COB－ID定義到接收濾波器中，當產(chǎn)生CAN總線接收中斷時，根據(jù)中斷標志寄存器PIR3的Bit0（RXB0IF，接收緩沖器0中斷標志位）和Bit1（RXB1IF，接收緩沖器1中斷標志位）來判斷產(chǎn)生中斷的接收緩沖器。 當接收緩沖器0中斷時，則有： _uCAN_ret＝*（_uCANRxHndls＋（RXB0CON＆0x01）） （1） 其中：_uCAN_ret為標識某報文接收中斷數(shù)組常數(shù)標志；接收緩沖器0控制寄存器（RXB0CON）的Bit0為接收濾波器0、1的選擇位。 接收緩沖器1中斷時，則有： _uCAN_ret＝*（_CANRxHndls＋（RXB1CON＆0x07）） （2） 其中：接收緩沖器1控制寄存器（RXB1CON）的Bit2－Bit0為接收濾波器2、3、4和5的選擇位。 通過式（1）和式（2）可得代表某種報文中斷的數(shù)組常數(shù)標志，實現(xiàn)對接收報文類型的判斷，完成郵箱動態(tài)分配和相應報文處理。 4 、實驗驗證 為方便實現(xiàn)實驗室監(jiān)測，直觀地觀察伺服電機模塊的工作狀態(tài)，判斷D/A轉化的線性特征，使用LabView軟件設計了PC監(jiān)控面板，如圖4所示。 圖4中的amplitude和phase分別用于設置發(fā)送正弦波的幅度和相位，正弦波數(shù)據(jù)以占用兩字節(jié)的形式發(fā)送，結合繼電器1和2占用的一個字節(jié)組成3字節(jié)的TPDO報文，光耦1、2表示從RPDO報文接收到的數(shù)據(jù)狀態(tài)，在此監(jiān)控面板的基礎上，使系統(tǒng)的調試更加方便。 在示波器上觀察到的D/A輸出波形如圖5所示，因為D/A輸出為瞬間波形，所以在示波器上看到的波形光線只有一部分。此外，由于LabView軟件的限制，最高輸出數(shù)據(jù)周期只能達到1ms，因此，在示波器上看到的波形有折線存在，每個轉折點代表一個輸出點，通過設置相位值來決定轉折點的個數(shù)，即輸出多少個數(shù)據(jù)來表示一個波形，例如圖5中的相位為18，則會輸出36個點來表示一個周期波形。將此D/A輸出至伺服控制器即可實現(xiàn)對伺服電機的控制，這一點已在現(xiàn)場試驗中得到驗證。 5、結論 通過對并條機自調勻整系統(tǒng)的其他控制節(jié)點采用相同的方法進行CANopen協(xié)議開發(fā)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng)。除了伺服電機外一個完整的控制系統(tǒng)還應有：主控模塊如（DSP或單片機）、PLC模塊和鍵盤顯示模塊等。和伺服電機模塊一樣，可將每個控制模塊都作為一個節(jié)點進行開發(fā)。每個節(jié)點都有各自的節(jié)點ID，所接收和發(fā)射的數(shù)據(jù)在總線上進行交流，通過改變伺服電機控制的低速羅拉轉速來調節(jié)牽伸倍數(shù)，從而達到自調勻整的目的。 自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化，標準化是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一個必然趨勢，將CAN總線應用層協(xié)議CANopen應用于該領域有著廣闊的應用前景，本文通過將伺服電機控制模塊做成符合CANopen協(xié)議的標準化裝置，并應用于并條機自調勻整系統(tǒng)中，使其具有了即插即用和在線監(jiān)控特性，增強了設備的可擴展性，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。這種基于現(xiàn)場總線應用層標準的協(xié)議的開發(fā)和使用，對提高系統(tǒng)的工作效率，特別是對復雜系統(tǒng)的研制具有一定的指導意義。

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