本文針對伺服電機(jī)遠(yuǎn)程控制接線復(fù)雜性、單一性、不穩(wěn)定性等問題，提出采用開放式通信協(xié)議DS301、驅(qū)動(dòng)子協(xié)議DSP402實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制的新方法。
前 言
CANopen是一種架構(gòu)在控制局域網(wǎng)路（CAN）上的高層通訊協(xié)定，包括通訊子協(xié)定及設(shè)備子協(xié)定常在嵌入式系統(tǒng)中使用，也是工業(yè)控制常用到的一種現(xiàn)場總線。CANopen實(shí)現(xiàn)了OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層以上（包括網(wǎng)絡(luò)層）的協(xié)定。CANopen標(biāo)準(zhǔn)包括尋址方案、數(shù)個(gè)小的通訊子協(xié)定及由設(shè)備子協(xié)定所定義的應(yīng)用層。CANopen支援網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備監(jiān)控及節(jié)點(diǎn)間的通訊，其中包括一個(gè)簡易的傳輸層，可處理資料的分段傳送及其組合。一般而言數(shù)據(jù)鏈結(jié)層及物理層會(huì)用CAN來實(shí)作。除了CANopen外，也有其他的通訊協(xié)定（如EtherCAT）實(shí)作CANopen的設(shè)備子協(xié)定。
CANopen由非營利組織CiA進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的起草及審核工作，基本的CANopen設(shè)備及通訊子協(xié)定定義在CiA301中。針對個(gè)別設(shè)備的子協(xié)定以CiA301為基礎(chǔ)再進(jìn)行擴(kuò)充。如針對I/O模組的CiA401及針對運(yùn)動(dòng)控制的CiA402。
針對伺服電機(jī)遠(yuǎn)程控制接線復(fù)雜、控制單一、可靠性不高等問題，提出利用CANopen通信協(xié)議、驅(qū)動(dòng)子協(xié)議實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制的新方法。分析CANopen協(xié)議的對象字典和報(bào)文格式，詳細(xì)介紹了CANopen伺服控制狀態(tài)機(jī)各步驟的轉(zhuǎn)換以及實(shí)現(xiàn)CANopen協(xié)議下PP、PV、HM3鐘伺服控制模式的報(bào)文設(shè)置。利用CAN卡和伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及PC機(jī)構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在上位機(jī)界面通過報(bào)文設(shè)置成功實(shí)現(xiàn)了基于CANopen協(xié)議的伺服電機(jī)的PP、PV、HM的三種模式的控制。實(shí)臉結(jié)果表明利用協(xié)議的報(bào)文設(shè)置控制電機(jī)簡單易操作，通訊數(shù)據(jù)快速、可靠，用戶通過上位機(jī)可以很好的實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的監(jiān)控。
整個(gè)控制系統(tǒng)由PC機(jī)、CANopen上位機(jī)、USBCAN適配器、伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備構(gòu)成。CANopen通訊部分由DS301協(xié)議實(shí)現(xiàn)，伺服控制部分由DSP402協(xié)議實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備作為的從節(jié)點(diǎn)，具有CANopen通訊功能，負(fù)責(zé)電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速、位置等控制對象，它通過通信接口與總線相連，將信息傳送給計(jì)算機(jī)的上位機(jī)界面；上位機(jī)界面則根據(jù)從站的反饋信息通過USBCAN適配器對伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制。如圖1所示為開放式通訊協(xié)議的伺服控制系統(tǒng)總體架構(gòu)圖。
圖1 開放式通訊協(xié)議伺服控制系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
1 CANopen通訊設(shè)備模型
CANopen的設(shè)備模型分為以下3個(gè)部分：通信單元、對象字典、應(yīng)用過程。用戶可以通過該模型對功能完全不同的設(shè)備進(jìn)行描述。
CANopen的核心概念是對象字典，對象字典包含描述這個(gè)設(shè)備和它的網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)，應(yīng)用單元和通信單元都可以問這個(gè)參數(shù)列表。對象字典中的參數(shù)通過一個(gè)16位索引和位子索引進(jìn)行識(shí)別和定位。
通信部分由CAN收發(fā)器、CAN控制器和CANopen協(xié)議棧組成協(xié)議棧中定義了實(shí)現(xiàn)通訊的通訊對象：NMT（網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文）、PDO（過程數(shù)據(jù)）SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對象）預(yù)定義報(bào)文或者特殊能對象（含同步報(bào)文、緊急報(bào)文、時(shí)間標(biāo)記對象等）通信的所有內(nèi)容和功能由這些通信對象描述，所有設(shè)備之間通信也通過這些通信對象完成。其中NMT用于主站對從站進(jìn)行狀態(tài)管理以及從站應(yīng)答自身所處的通信狀態(tài)，SDO用于主站對從站的對象字典進(jìn)行配置和監(jiān)控。PDO用來傳輸高速、小型數(shù)據(jù)。而特殊功能對象則用于同步網(wǎng)絡(luò)中的通信對象（通常為PDO）的方法。應(yīng)用部分是對設(shè)備的基本功能的定義和描述，它是連接設(shè)備與主站上位機(jī)的紐帶，其核心功能是通過訪問設(shè)備的對象字典對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置、狀態(tài)控制和監(jiān)控，并高速傳輸設(shè)備的過程數(shù)據(jù)信息。
2 伺服控制模式
CANopen驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備子協(xié)議DSP402對特性的描述要求非常準(zhǔn)確，它不僅定義了驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行模式，還定義了用于控制驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)機(jī)。驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)機(jī)通過對象字典中的控制字6040來控制，并通過狀態(tài)字6041來讀取驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)。控制狀態(tài)機(jī)如圖2所示。
圖2 控制狀態(tài)機(jī)圖
狀態(tài)機(jī)可以分成以下3個(gè)部分：PowerDisabled(主電關(guān)閉)、PowerEbabled(主電打開)和Fault。所有狀態(tài)在發(fā)生報(bào)警后均進(jìn)入“Fault”在上電后，驅(qū)動(dòng)器完成初始化，然后再進(jìn)入SWUTCH_ON_DISABLED狀態(tài)，在該狀態(tài)，可以進(jìn)行CAN通訊，可以對驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行配置。此主電仍然關(guān)閉，電機(jī)沒有被勵(lì)磁。經(jīng)過StateTransition（狀態(tài)傳輸）2,3,4后，進(jìn)入OPERATIONENABle此時(shí)，主電已開啟，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)配置的工作模式控制電機(jī)。StateTransition（狀態(tài)傳輸）9完成關(guān)閉電路主電。一旦驅(qū)動(dòng)器發(fā)生報(bào)警，驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)都進(jìn)入FAULT。
PP模式（簡表位置模式）是典型的定位模式，可通過單步設(shè)定與連續(xù)設(shè)定兩種方式控制電機(jī)運(yùn)行到目標(biāo)位置。PV模式（簡表速度模式）是速度控制模式，HM（回零模式）提供多種達(dá)到起始位置的方法。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)采用USBCAN和伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備和PC機(jī)來搭建硬件平臺(tái)。伺服驅(qū)動(dòng)控制芯片采用的是DSP的芯片。
系統(tǒng)硬件搭建按以下步驟進(jìn)行。首先在TI的開發(fā)環(huán)境中配置好的相關(guān)參數(shù)，并建立DS301工程項(xiàng)目，完成CANopen協(xié)議通信程序的調(diào)試運(yùn)行。項(xiàng)目調(diào)試成功之后下載到驅(qū)動(dòng)器中，在上位機(jī)界面中設(shè)置報(bào)文，測試SDO、PDO、NMT等通訊對象。測試結(jié)果正確則系統(tǒng)硬件搭建完成。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)伺服控制的軟件設(shè)計(jì)在CCS中建立，主要包括永磁同步電機(jī)的閉環(huán)控制程序和CANopen協(xié)議找的實(shí)現(xiàn)兩大部分。如圖3所示為軟件設(shè)計(jì)流程圖。
圖3 軟件設(shè)計(jì)流程
