CANopen协议在伺服电机控制系统中的实现
日期：2011-7-25 11:14:42 点击：
来源：本站整理
作者：
来源：本站整理
作者：
点击【 大 中 小 】放大字体.
摘要 针对目前国内大多把精力放在硬件之上的底层软件开发,使应用水平难于提高的问题,结合工业控制中的伺服电机控制模块,开发基于PIC18F258微控制器的CAN总线高层通信协议CANopen,使模块具有较强的在线可控性、可扩展性和通用性。通过自行开发的基于Labview软件的PC监控面板实现模块的运行校验。
关键词 CANopen协议 CAN总线 伺服电机控制
基于现场总线的网络技术的研究是自动化领域发展的一个热点。CANopen协议是目前流行于欧洲的基于CAN总线应用层的标准协议。对工程设计者来说,研究现场总线的核心任务就是对控制节点进行开发。本文就是通过实现伺服电机控制模块的CANopen协议,说明一个基于CANopen协议的控制网络的组态。
伺服电机控制器在自动控制领域里有着广泛的应用,如纺织机械和印刷机等。为了得到理想的速控效果, 伺服电机模块除了要在分辨率、线性程度以及转换速率上达到一定的要求外,还应具有良好的在线可控性和实时在线状态检测功能。为此,利用CAN总线高层通信协议CANopen,结合陕西省教育厅“并条机自调匀整” 项目对伺服电机控制模块参数的要求,开发了一个具有硬件可重用性、软件可重配置特点的伺服电机控制模块。
1 CANopen协议概述[1-2]
CANopen协议是由CiA协会针对CAN协议的不完整性而定义出的一个更高层次的协议——应用层协议。一个CANopen 设备模块可分为3部分,如图1所示。通信接口和协议软件用于提供在总线上收发通信对象的服务;不同CANopen 设备间的通信都是通过交换通信对象来完成的,这一部分直接面向CAN 控制器进行操作。对象字典描述了设备使用的所有数据类型、通信对象和应用对象;对象字典位于通信程序和应用程序之间,用于向应用程序提供接口。应用程序对对象字典进行操作,即可实现CANopen通信。它包括功能部分和通信部分,通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen 通信;而功能部分则根据应用要求来实现。
图1 CANopen设备模型
在CANopen网络系统中每个节点都有唯一的一个对象字典,而且每个节点的对象字典都具有相同的结构,但具体的内容要根据不同的设备而定,包含了描述该设备及其网络行为的所有参数。CANopen协议还定义了4种报文(通信对象),用于对不同作用的信息进行处理,分别为管理报文（NMT）、服务数据对象（SDO）、过程数据对象（PDO）和预定义报文或特殊功能对象。具体的CANopen协议内容可参考相关文档。
2 伺服电机模块的硬件实现
伺服电机模块使用Microchip公司生产的带有CAN总线功能模块的主频为40 MHz的PIC18F258单片机进行控制[3]。根据并条机自调匀整系统对伺服电机的要求（9 V—3 000 r/min,即3 mV—1 r/min）,以及从总线上以1 ms为周期发送来的D/A转速控制数据,使用ADI公司的12位AD7243芯片进行D/A转换。它具有300 kHz的转换速率,3种可选择的输出电压,分别是0～ 10 V、0～＋5 V和-5~ 5 V,采用串行端口通信。
图2为硬件电路简图。根据系统需求,设置AD7243电压输出为5 V,将AD7243芯片的ROFS引脚与REFIN引脚相连实现。在AD7243的输出端接有OP07运算放大器,用于调整输出电压到10 V, 以控制电机正反方向和调节转速。图中继电器FDLL4148用于控制电机的启动和停止;光耦TL521用于对伺服电机状态采集时的隔离器;为实时了解伺服电机运行状态,根据CANopen协议分别设计了用于指示系统当前状态和错误的LED(绿色和红色)指示灯;J1为与伺服控制器的接口插件。
图2 伺服电机模块硬件结构简图
图2中,在OP07上接有调节零输出偏置电压的可调电位器R3;用ADuM1100高速数字隔离器替代传统的光电耦合器,以降低功耗,提供精确的信号;MCP2551是一种可容错的高速CAN收发器,具有差分发射和接收能力,可将许多节点与同一网络相连接并采用非屏蔽线部署网络,从而降低系统成本。
3 伺服电机模块的CANopen协议实现
(1) CANopen协议实现
伺服电机模块在CANopen网络中作为从节点发挥作用,完成属于自己范围内的特定任务,进行实时数据传输,并对其负责的底层设备进行数据采集和控制。在实现CANopen协议之前,必须先了解它在网络中的具体功能：通过CAN总线接收控制伺服电机的数据（包括转速控制、启动和停止）;采样伺服Ready信号和电机当前状态回送到CAN总线。
CANopen协议的核心内容是对象字典,完成各种机器CANopen协议通信的实质是在对象字典的基础上进行操作,通过映射的关系实现对各种报文数据的处理。根据伺服电机模块的功能并结合CANopen协议各类报文的特征,定义了如表1和表2所列的属性。
表 1
表 2
表1和表2定义的SDO报文和PDO报文分别用于读/写对象字典和传送实时数据。PDO报文映射参数子索引的内容代表PDO报文中各字节的用途,比如：RxPDO报文映射参数子索引0x64110110L指对象字典索引0x6411和子索引0x01,占16位的数据内容,即控制电机转速数据。此外,系统还定义了一个接收NMT报文,用于实现主节点对从节点的组态;一个Heartbeat(心跳)报文,以5 000 ms为周期发送,使主节点实时监测从节点状态并在发生错误时及时进行处理。
除了上述用于实现伺服电机模块预定义功能的报文外,还根据CANopen协议的指示灯规范设计了状态(绿色)和错误(红色)指示灯,通过定时器周期性地检查CAN总线状态寄存器和CANopen通信状态标志,设置指示灯的常亮、闪亮和闪烁等状态,可使用户直观地判断当前机器所处的状态,从而提高工作效率。具体的CANopen协议和指示灯规范可以参考相关文档[4]。
伺服电机控制模块的设计是基于CANopen协议对象字典的模块化设计,它可以方便地进行功能扩展,只须修改对象字典中报文映射参数,添加相应的功能模块即可实现。与以往的基于CAN数据传送协议相比,大大提高了系统效率,节约了有限的硬件资源,为功能的扩展和用途的延伸提供了方便。
(2) 应用程序流程
伺服电机模块上电以后,根据CANopen协议从节点的性质,系统在进行完初始化参数配置后,发送Bootup报文通知主节点已进入预操作(preoperational)状态,并在主循环中等待各种类型中断的到来。在预操作状态中,可接收主节点的SDO报文读/写对象字典。比如当无法使DA零点输出偏置电压达到标准值时,可以通过修改对象字典的电压偏置值相来进行调整。NMT报文也可在预操作状态中接收,用于改变节点状态,进入伺服电机模块实时传输PDO报文的操作(operational)状态,开始系统的正常工作。一旦系统进入预操作状态,就会以5 000 ms为周期发送Heartbeat报文使主节点实时监控伺服电机模块的状态;当从节点发生错误时主节点就可以立刻采取措施,实现实时在线监控的功能。图3为中断程序流程图。
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
摘要 针对目前国内大多把精力放在硬件之上的底层软件开发,使应用水平难于提高的问题,结合工业控制中的伺服电机控制模块,开发基于PIC18F258微控制器的CAN总线高层通信协议CANopen,使模块具有较强的在线可控性、可扩展性和通用性。通过自行开发的基于Labview软件的PC监控面板实现模块的运行校验。
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
关键词 CANopen协议 CAN总线 伺服电机控制
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
基于现场总线的网络技术的研究是自动化领域发展的一个热点。CANopen协议是目前流行于欧洲的基于CAN总线应用层的标准协议。对工程设计者来说,研究现场总线的核心任务就是对控制节点进行开发。本文就是通过实现伺服电机控制模块的CANopen协议,说明一个基于CANopen协议的控制网络的组态。
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
伺服电机控制器在自动控制领域里有着广泛的应用,如纺织机械和印刷机等。为了得到理想的速控效果, 伺服电机模块除了要在分辨率、线性程度以及转换速率上达到一定的要求外,还应具有良好的在线可控性和实时在线状态检测功能。为此,利用CAN总线高层通信协议CANopen,结合陕西省教育厅“并条机自调匀整” 项目对伺服电机控制模块参数的要求,开发了一个具有硬件可重用性、软件可重配置特点的伺服电机控制模块。
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
1 CANopen协议概述[1-2]
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
CANopen协议是由CiA协会针对CAN协议的不完整性而定义出的一个更高层次的协议——应用层协议。一个CANopen 设备模块可分为3部分,如图1所示。通信接口和协议软件用于提供在总线上收发通信对象的服务;不同CANopen 设备间的通信都是通过交换通信对象来完成的,这一部分直接面向CAN 控制器进行操作。对象字典描述了设备使用的所有数据类型、通信对象和应用对象;对象字典位于通信程序和应用程序之间,用于向应用程序提供接口。应用程序对对象字典进行操作,即可实现CANopen通信。它包括功能部分和通信部分,通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen 通信;而功能部分则根据应用要求来实现。
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
plcjs.技.术_网
图1 CANopen设备模型
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
在CANopen网络系统中每个节点都有唯一的一个对象字典,而且每个节点的对象字典都具有相同的结构,但具体的内容要根据不同的设备而定,包含了描述该设备及其网络行为的所有参数。CANopen协议还定义了4种报文(通信对象),用于对不同作用的信息进行处理,分别为管理报文（NMT）、服务数据对象（SDO）、过程数据对象（PDO）和预定义报文或特殊功能对象。具体的CANopen协议内容可参考相关文档。
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
2 伺服电机模块的硬件实现
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
伺服电机模块使用Microchip公司生产的带有CAN总线功能模块的主频为40 MHz的PIC18F258单片机进行控制[3]。根据并条机自调匀整系统对伺服电机的要求（9 V—3 000 r/min,即3 mV—1 r/min）,以及从总线上以1 ms为周期发送来的D/A转速控制数据,使用ADI公司的12位AD7243芯片进行D/A转换。它具有300 kHz的转换速率,3种可选择的输出电压,分别是0～ 10 V、0～＋5 V和-5~ 5 V,采用串行端口通信。
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
图2为硬件电路简图。根据系统需求,设置AD7243电压输出为5 V,将AD7243芯片的ROFS引脚与REFIN引脚相连实现。在AD7243的输出端接有OP07运算放大器,用于调整输出电压到10 V, 以控制电机正反方向和调节转速。图中继电器FDLL4148用于控制电机的启动和停止;光耦TL521用于对伺服电机状态采集时的隔离器;为实时了解伺服电机运行状态,根据CANopen协议分别设计了用于指示系统当前状态和错误的LED(绿色和红色)指示灯;J1为与伺服控制器的接口插件。
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
图2 伺服电机模块硬件结构简图
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
图2中,在OP07上接有调节零输出偏置电压的可调电位器R3;用ADuM1100高速数字隔离器替代传统的光电耦合器,以降低功耗,提供精确的信号;MCP2551是一种可容错的高速CAN收发器,具有差分发射和接收能力,可将许多节点与同一网络相连接并采用非屏蔽线部署网络,从而降低系统成本。
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
3 伺服电机模块的CANopen协议实现
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
(1) CANopen协议实现
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
伺服电机模块在CANopen网络中作为从节点发挥作用,完成属于自己范围内的特定任务,进行实时数据传输,并对其负责的底层设备进行数据采集和控制。在实现CANopen协议之前,必须先了解它在网络中的具体功能：通过CAN总线接收控制伺服电机的数据（包括转速控制、启动和停止）;采样伺服Ready信号和电机当前状态回送到CAN总线。
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
CANopen协议的核心内容是对象字典,完成各种机器CANopen协议通信的实质是在对象字典的基础上进行操作,通过映射的关系实现对各种报文数据的处理。根据伺服电机模块的功能并结合CANopen协议各类报文的特征,定义了如表1和表2所列的属性。
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
表 1
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
表 2
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
表1和表2定义的SDO报文和PDO报文分别用于读/写对象字典和传送实时数据。PDO报文映射参数子索引的内容代表PDO报文中各字节的用途,比如：RxPDO报文映射参数子索引0x64110110L指对象字典索引0x6411和子索引0x01,占16位的数据内容,即控制电机转速数据。此外,系统还定义了一个接收NMT报文,用于实现主节点对从节点的组态;一个Heartbeat(心跳)报文,以5 000 ms为周期发送,使主节点实时监测从节点状态并在发生错误时及时进行处理。
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
除了上述用于实现伺服电机模块预定义功能的报文外,还根据CANopen协议的指示灯规范设计了状态(绿色)和错误(红色)指示灯,通过定时器周期性地检查CAN总线状态寄存器和CANopen通信状态标志,设置指示灯的常亮、闪亮和闪烁等状态,可使用户直观地判断当前机器所处的状态,从而提高工作效率。具体的CANopen协议和指示灯规范可以参考相关文档[4]。
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
伺服电机控制模块的设计是基于CANopen协议对象字典的模块化设计,它可以方便地进行功能扩展,只须修改对象字典中报文映射参数,添加相应的功能模块即可实现。与以往的基于CAN数据传送协议相比,大大提高了系统效率,节约了有限的硬件资源,为功能的扩展和用途的延伸提供了方便。
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
(2) 应用程序流程
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
伺服电机模块上电以后,根据CANopen协议从节点的性质,系统在进行完初始化参数配置后,发送Bootup报文通知主节点已进入预操作(preoperational)状态,并在主循环中等待各种类型中断的到来。在预操作状态中,可接收主节点的SDO报文读/写对象字典。比如当无法使DA零点输出偏置电压达到标准值时,可以通过修改对象字典的电压偏置值相来进行调整。NMT报文也可在预操作状态中接收,用于改变节点状态,进入伺服电机模块实时传输PDO报文的操作(operational)状态,开始系统的正常工作。一旦系统进入预操作状态,就会以5 000 ms为周期发送Heartbeat报文使主节点实时监控伺服电机模块的状态;当从节点发生错误时主节点就可以立刻采取措施,实现实时在线监控的功能。图3为中断程序流程图。
本新闻共2页,当前在第1页1 2
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
上一篇: BWS伺服系统在塑料制杯机上的应用下一篇: 集散控制系统系统构成及技术要求
评论内容
载入中...
载入中...
P
L
C
技
术
网
|
可
编
程
控
制
器
技
术
门
户
|
十
万
P
L
C
工
程
师
的
共
同
选
择
！
L
C
技
术
网
|
可
编
程
控
制
器
技
术
门
户
|
十
万
P
L
C
工
程
师
的
共
同
选
择
！
·最新招聘信息
·最新求职信息
·推荐产品
·推荐厂商
·栏目热门排行
·站内热门排行