宋朝健， 吳明昌， 趙立宏

(1.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001;2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,四川 成都 610200;3.南華大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng)421001)

0 引 言

近年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已趨于潮流[1-3]?？刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)(controller area network，簡(jiǎn)稱CAN)，屬于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，以其高性能和可靠性被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面[4-6]。CANopen協(xié)議是基于CAN的高層通信協(xié)議，其中子協(xié)議CiA402對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器等設(shè)備的參數(shù)和運(yùn)行模式進(jìn)行了規(guī)范，從而大大降低了開(kāi)發(fā)難度[7-8]。伺服系統(tǒng)作為自動(dòng)化領(lǐng)域的重要技術(shù)，是行業(yè)內(nèi)研究設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，但現(xiàn)場(chǎng)布線復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)通信能力差等是傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)的突出問(wèn)題[9]，因此將CAN總線與伺服系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一套基于CANopen協(xié)議的雙軸伺服電機(jī)控制方案。

1 CANopen協(xié)議概述

CANopen是一個(gè)基于CAN串行總線的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議，遵循ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)模型。網(wǎng)絡(luò)中不同的設(shè)備通過(guò)對(duì)象字典或者對(duì)象來(lái)相互交換數(shù)據(jù)。CANopen協(xié)議包括設(shè)備模型，通信模式和對(duì)象字典三大部分，其中以對(duì)象字典最為重要。

1.1 設(shè)備模型

CANopen設(shè)備如圖1所示，一邊接應(yīng)用設(shè)備的I/O數(shù)據(jù)端口，另一邊接CAN總線。制造商為設(shè)備應(yīng)用部分提供了相關(guān)的設(shè)備規(guī)范，為了能訪問(wèn)CANopen設(shè)備的對(duì)象字典，設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)CANopen協(xié)議棧的相關(guān)功能[10-11]。

圖1 CANopen設(shè)備模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the CANopen device model

1.2 對(duì)象字典

每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)對(duì)象字典。對(duì)象字典是CANopen設(shè)備的重要組成部分，描述了CANopen節(jié)點(diǎn)的所有參數(shù)，包括設(shè)備參數(shù)和通訊參數(shù)，并且它也是通信接口與應(yīng)用程序之間的接口[12]。CANopen協(xié)議采用了帶有16位索引和8位子索引的對(duì)象字典。對(duì)象字典中通訊子協(xié)議區(qū)域(如設(shè)備類型，錯(cuò)誤寄存器，支持的PDO數(shù)量)的索引為:1000-1FFF;標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備子協(xié)議區(qū)域的索引為:6000-9FFF。

1.3 CANopen通訊模型

CANopen協(xié)議規(guī)定了四種不同類型的通訊對(duì)象[3]，分別是服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(service data objects,SDO)、過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象(process data object,PDO)、網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象(network management,NMT)和特殊功能對(duì)象[13]。SDO用來(lái)訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)的對(duì)象字典和配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，建立兩個(gè)CANopen設(shè)備之間的客戶/服務(wù)器的關(guān)系；PDO用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從一個(gè)創(chuàng)建者傳到一個(gè)或多個(gè)接收者；NMT包括Boot-up消息，Heartbeat協(xié)議，基于主從通信模式，NMT用于管理和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)三種功能：節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制、錯(cuò)誤控制和節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)；特殊功能對(duì)象是指同步對(duì)象(synchronous object,SYNC)和緊急報(bào)文(emergency message,EMCY)等。SYNC是由CANopen主站周期性地廣播到CAN總線的報(bào)文，用來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)設(shè)備可以根據(jù)自己的配置，決定是否使用該事件來(lái)跟其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行同步通信；EMCY是設(shè)備內(nèi)部通信故障或者應(yīng)用故障錯(cuò)誤時(shí)發(fā)送的報(bào)文。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)或者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)由PC機(jī)、USB-CAN適配器、CAN總線和伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備組成，其中CANopen通訊部分由DS302協(xié)議實(shí)現(xiàn)，伺服控制部分由DSP402協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

該方案以PC+USB-CAN作為主站，伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備作為CANopen從站。從站負(fù)責(zé)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置等控制對(duì)象，它通過(guò)CAN通信接口接入CAN總線，將電機(jī)的信息反饋給上位機(jī)，上位機(jī)則根據(jù)從站的反饋信息通過(guò)USB-CAN適配器對(duì)從站實(shí)施指令控制。系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖Fig.2 System overall block diagram

2.2 伺服控制模式

根據(jù)CANopen的DSP402子協(xié)議，匯川IS620P系列伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備共分為五種控制模式，分別為輪廓位置模式、輪廓速度模式、輪廓轉(zhuǎn)矩模式、原點(diǎn)回零模式和插補(bǔ)位置模式，此次著重于實(shí)現(xiàn)輪廓位置模式和原點(diǎn)回零模式兩種。

輪廓位置模式是在滿足一定條件下，可實(shí)時(shí)接收用戶位移指令，每段位移指令的加速時(shí)間、減速時(shí)間、最大運(yùn)行速度、位移可獨(dú)立控制，也可實(shí)時(shí)修改段與段之間的銜接方式。輪廓位置模式多用于點(diǎn)到點(diǎn)定位運(yùn)行，運(yùn)行曲線由伺服驅(qū)動(dòng)器自身規(guī)劃。伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部完成位置、速度與轉(zhuǎn)矩控制；原點(diǎn)回零模式用于尋找機(jī)械原點(diǎn)，并定位機(jī)械原點(diǎn)與機(jī)械零點(diǎn)的位置關(guān)系，便于伺服電機(jī)返回到起始位置。

3 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

在本次設(shè)計(jì)中，USB-CAN適配器采用CANalyst-Ⅱ分析儀，伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用匯川IS620P系列，配合PC機(jī)來(lái)搭建硬件平臺(tái)。

CANalyst-Ⅱ分析儀通過(guò)USB接口上與PC機(jī)相連，向下通過(guò)屏蔽雙絞線與伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備的CANopen通信接口相連。待線路連接完成后需將分析儀的120 Ω電阻撥碼開(kāi)關(guān)撥到ON位置，同時(shí)將通信網(wǎng)絡(luò)中后置的伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備的120 Ω末端電阻用導(dǎo)線短接，這樣一個(gè)基本的CAN通信網(wǎng)絡(luò)搭建完成。上位機(jī)能夠通過(guò)適配器對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備下發(fā)數(shù)據(jù)指令，從而控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)；伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備也能將電機(jī)的相關(guān)控制信息反饋給上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)雙向通信過(guò)程。

在總線兩端分別加入終端電阻的目的是防止節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的信號(hào)在到達(dá)電纜末端時(shí)發(fā)生反射。在連接過(guò)程中，需要注意的是CAN通信網(wǎng)絡(luò)的連接方式為總連接方式，各個(gè)CAN收發(fā)設(shè)備掛接在總線上，每個(gè)分支長(zhǎng)度要小于0.3 m。否則會(huì)引起反射，造成通信問(wèn)題，并且在CAN設(shè)備長(zhǎng)距離通信時(shí)，須將不同CAN電路的公共地接口相互連接，以保證不同通信設(shè)備之間參考電位相等。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Visual Studio是微軟公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)發(fā)工具集，支持C#、VB、ASP、C/C++等語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。在Visual Studio 2010軟件平臺(tái)上通過(guò)C++語(yǔ)言采用MFC(microsoft foundation classes)編寫(xiě)一個(gè)可以控制基于CANopen的伺服從站的監(jiān)控軟件，支持64位Windows。Visual Studio 2010的編程環(huán)境如圖3所示。

為了能夠完成監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)，調(diào)用了USB-CAN模塊中USBCAN.DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，CAN數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送分別由動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的VCI_Receive、VCI_Transmit兩個(gè)函數(shù)執(zhí)行，在發(fā)送函數(shù)VCI_Transmit和接收函數(shù)VCI_Receive中，被用來(lái)傳送CAN信息幀的是VCI_CAN_OBJ結(jié)構(gòu)體，一個(gè)結(jié)構(gòu)體表示一個(gè)幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

接收函數(shù)VCI_Receive，用于從指定的設(shè)備CAN通道的接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，其中pReceive參數(shù)是用來(lái)接收的幀結(jié)構(gòu)體VCI_CAN_OBJ數(shù)組的首指針，返回值為實(shí)際讀取的幀數(shù)，當(dāng)返回值為-1表示USB-CAN設(shè)備不存在或USB掉線；發(fā)送函數(shù)VCI_Transmit，pSend參數(shù)是要發(fā)送的幀結(jié)構(gòu)體VCI_CAN_OBJ數(shù)組的首指針，返回指為實(shí)際發(fā)送的幀數(shù)，返回值為-1時(shí)表示USB-CAN設(shè)備不存在或USB掉線。

圖3 Visual Studio 2010的編程環(huán)境Fig.3 Programming environment of the Visual Studio 2010

4.1 通信流程

具體的通信流程如圖4所示。

圖4 通信流程圖Fig.4 Communication flow chart

4.2 SDO通信配置

SDO傳輸方式遵循客戶端-服務(wù)器模式，即一應(yīng)一答方式。由CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的SDO客戶端發(fā)起，SDO服務(wù)器作出應(yīng)答。因此，SDO之間的數(shù)據(jù)交換至少需要兩個(gè)CAN報(bào)文才能實(shí)現(xiàn)，而且兩個(gè)CAN報(bào)文的CAN標(biāo)識(shí)符不一樣。

SDO的傳輸分為不高于4個(gè)字節(jié)和高于4個(gè)字節(jié)的對(duì)象數(shù)據(jù)傳輸。不高于4個(gè)字節(jié)采用加速SDO傳輸方式，高于4個(gè)字節(jié)采用分段傳輸或塊傳輸方式，此次采用加速SDO傳輸方式。

SDO傳輸報(bào)文由COB-ID和數(shù)據(jù)段組成，數(shù)據(jù)段采用小端模式，即低位在前，高位在后排列。所有的SDO報(bào)文數(shù)據(jù)段都必須是8個(gè)字節(jié)。SDO傳輸報(bào)文格式如表1所示，其中，命令代碼指明了該段SDO的傳輸類型和傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，索引和子索引是對(duì)象在列表的位置，數(shù)據(jù)是該對(duì)象的數(shù)值。

表1 SDO傳輸報(bào)文格式說(shuō)明Table 1 Description of the SDO transmission message format

SDO主要實(shí)現(xiàn)輪廓位置模式和原點(diǎn)回零模式的參數(shù)初始化設(shè)置和PDO配置。輪廓位置模式的每一段位移曲線規(guī)劃都包括目標(biāo)位置607Ah、輪廓速度6081h、輪廓加速度6083h、輪廓減速度6084h四個(gè)參數(shù)；原點(diǎn)回零模式下的參數(shù)有原點(diǎn)回零模式6098h、回零速度6099-1h和6099-2h、回零加速度609Ah四個(gè)參數(shù)。

輪廓位置模式的控制報(bào)文和原點(diǎn)回零模式的控制報(bào)文分別如表2、表3所示。

表2 輪廓位置模式控制報(bào)文Table 2 Outline position mode control message

表3 原點(diǎn)回零模式控制報(bào)文Table 3 Origin zero mode control message

兩種控制模式的報(bào)文操作都是先讀寫(xiě)伺服控制模式，然后通過(guò)控制字6040h給伺服驅(qū)動(dòng)器使能，最后根據(jù)控制模式寫(xiě)入相關(guān)參數(shù)，即可完成相應(yīng)模式的控制。伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備有兩個(gè)，即有兩個(gè)從站，二號(hào)從站的報(bào)文格式除了COB-ID不同，其他與一號(hào)從站基本相同，因此不再贅述。

4.3 PDO通信配置

PDO(過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象)用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，是CANopen中最主要的數(shù)據(jù)傳輸方式。PDO的傳輸遵循的是生產(chǎn)者消費(fèi)者模型，即CAN總線網(wǎng)絡(luò)中生產(chǎn)者產(chǎn)生的TPDO可根據(jù)COB-ID由網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)或者多個(gè)消費(fèi)者RPDO接收。此次采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的PDO傳輸方式。

按照接收與發(fā)送的不同，PDO可分為RPDO和TPDO。采用的IS620P伺服驅(qū)動(dòng)器使用4個(gè)RPDO和4個(gè)TPDO來(lái)實(shí)現(xiàn)PDO的傳輸，相關(guān)對(duì)象列表如表4所示。

PDO由通信參數(shù)和映射參數(shù)共同決定最終傳輸?shù)姆绞郊皟?nèi)容。

PDO通信參數(shù)包括CAN標(biāo)識(shí)符、PDO傳輸類型、禁止時(shí)間和事件計(jì)時(shí)器。PDO的CAN標(biāo)識(shí)符即PDO的COB-ID，包含控制位和標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)，確定該P(yáng)DO的總線優(yōu)先級(jí)。COB-ID位于圖7所示的通信參數(shù)的子索引01上，最高位決定該P(yáng)DO是否有效；PDO的傳輸類型位于通信參數(shù)的子索引02上，決定該P(yáng)DO遵循何種傳輸方式，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。

表5 PDO傳輸類型Table 5 The PDO transport type

當(dāng)TPDO的傳輸類型為0時(shí)，如果映射數(shù)據(jù)發(fā)生改變，且接收到一個(gè)同步幀，則發(fā)送該TPDO；當(dāng)TPDO的傳輸類型為1～240時(shí)，接收到相應(yīng)個(gè)數(shù)的同步幀時(shí)，發(fā)送該TPDO。當(dāng)TPDO的傳輸類型是254或255時(shí)，映射數(shù)據(jù)發(fā)生改變或者事件計(jì)時(shí)器到達(dá)則發(fā)送該TPDO。當(dāng)RPDO的傳輸類型為0～240時(shí)，只要接收到一個(gè)同步幀則將該RPDO最新的數(shù)據(jù)更新到應(yīng)用；當(dāng)RPDO的傳輸類型為254或者255時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)直接更新到應(yīng)用。

針對(duì)TPDO設(shè)置了禁止時(shí)間，存放在通信參數(shù)的子索引03上，防止CAN網(wǎng)絡(luò)被優(yōu)先級(jí)較低的PDO持續(xù)占有；針對(duì)異步傳輸?shù)腡PDO，定義事件計(jì)時(shí)器，位于通信參數(shù)的子索引05上。事件計(jì)時(shí)器也可以看做是一種觸發(fā)事件，它也會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的TPDO傳輸。如果在計(jì)時(shí)器運(yùn)行周期內(nèi)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)改變等其他事件，TPDO也會(huì)觸發(fā)，且事件計(jì)數(shù)器會(huì)被立即復(fù)位。

PDO映射參數(shù)包含索引、子索引及映射對(duì)象長(zhǎng)度。每個(gè)PDO數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最多可達(dá)8個(gè)字節(jié)，可同時(shí)映射一個(gè)或者多個(gè)對(duì)象。其中子索引0記錄該P(yáng)DO具體映射的對(duì)象個(gè)數(shù)，子索引1-8則是映射內(nèi)容。PDO映射參數(shù)的定義如表6所示。

表6 PDO映射參數(shù)內(nèi)容定義Table 6 Content definition of the PDO map parameters

索引和子索引共同決定對(duì)象在對(duì)象字典中的位置，對(duì)象長(zhǎng)度指明該對(duì)象的具體位長(zhǎng)，用十六進(jìn)制表示，即當(dāng)對(duì)象位長(zhǎng)分別為8位、16位和32位時(shí)，相應(yīng)的映射參數(shù)的對(duì)象長(zhǎng)度為08h、10h和20h。

PDO通信的實(shí)現(xiàn)流程具體如下：首先配置從站中RPDO1的通信參數(shù)，并將6040映射到RPDO1，然后禁用TPDO2～TPDO4，將6064(用戶位置反饋)和606c(用戶速度反饋)映射到TPDO1中，最后配置TPDO1的通信參數(shù)即完成了PDO的通信配置。相關(guān)報(bào)文如表7所示。

配置完成后如果要使配置生效，需要采用NMT管理復(fù)位遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)通訊。待節(jié)點(diǎn)通訊啟動(dòng)后，即可采用PDO通信報(bào)文實(shí)時(shí)修改當(dāng)前運(yùn)行模式的相關(guān)參數(shù)-。NMT 報(bào)文COB-ID固定是“0x000”。數(shù)據(jù)區(qū)由兩個(gè)字節(jié)組成：第一個(gè)字節(jié)是命令字，第二個(gè)字節(jié)CANopen節(jié)點(diǎn)地址，當(dāng)其為“0”時(shí)為廣播消息，網(wǎng)絡(luò)中的所有從設(shè)備均有效。NMT報(bào)文格式如表8所示，復(fù)位節(jié)點(diǎn)通訊的NMT報(bào)文如表9所示。

表7 PDO通信配置報(bào)文Table 7 The PDO communication configuration message

表8 NMT報(bào)文格式Tbale 8 The NMT message format

表9 復(fù)位節(jié)點(diǎn)通訊NMT報(bào)文Table 9 Reset the node communication NMT message

4.4 軟件界面

最終軟件界面實(shí)現(xiàn)如圖5所示。獨(dú)立測(cè)試時(shí)，在每一段位移開(kāi)始之前，可以修改當(dāng)前路伺服電機(jī)的移動(dòng)距離和移動(dòng)速度兩個(gè)參數(shù)，用以控制單路伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡；同步測(cè)試時(shí)，同步移動(dòng)的距離和運(yùn)動(dòng)速度也能進(jìn)行設(shè)置修改，用以控制兩路伺服電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)過(guò)程。單路回零和同步回零都是為了讓伺服電機(jī)更好地回到機(jī)械原點(diǎn)。并且從上位機(jī)軟件界面可實(shí)時(shí)獲得電機(jī)的反饋信息，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

圖5 軟件界面實(shí)現(xiàn)Fig.5 Software interface implementation

5 結(jié) 論

在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終結(jié)果表明輪廓位置模式和原點(diǎn)回零模式在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，基于CANopen協(xié)議的伺服系統(tǒng)控制是完全可行的。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也做過(guò)類似的研究，王曉潔學(xué)者[14]將CANopen協(xié)議應(yīng)用于某電動(dòng)伺服系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了控制器作為主站，通過(guò)CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)了對(duì)從站的控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并將其推廣到了導(dǎo)彈發(fā)射架；靳劍兵學(xué)者[14]設(shè)計(jì)了雙機(jī)驅(qū)動(dòng)協(xié)同控制系統(tǒng)，采用CANopen協(xié)議通信，最終測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可靠性較高，且數(shù)據(jù)傳輸快速準(zhǔn)確，并將其應(yīng)用到了礦用刮板輸送機(jī)；施磊學(xué)者[16]將CANopen通信協(xié)議的程序移植到伺服控制驅(qū)動(dòng)程序中去，并針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)狀態(tài)中的狀態(tài)機(jī)和DSP402狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了接口功能，實(shí)現(xiàn)了兩者間的通信，達(dá)到了預(yù)期效果；李志嘉學(xué)者[16]設(shè)計(jì)了一套CAN總線同步控制雙軸伺服電機(jī)的系統(tǒng)，進(jìn)行了兩個(gè)不同運(yùn)動(dòng)軌跡試驗(yàn)，控制精度達(dá)到兩百反饋脈沖，驗(yàn)證了基于CANopen的多軸伺服電機(jī)同步控制的可行性[17]。因此所研究的基于CANopen協(xié)議的伺服系統(tǒng)控制方法，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好，CANopen協(xié)議易植入，在現(xiàn)場(chǎng)只需兩條雙絞線即可完成CAN通信網(wǎng)絡(luò)的搭建，用戶通過(guò)上位機(jī)界面發(fā)送報(bào)文控制伺服電機(jī)，同時(shí)也能通過(guò)電機(jī)的反饋信息隨時(shí)監(jiān)控電機(jī)的當(dāng)前參數(shù)，該方法可以進(jìn)一步擴(kuò)展適用于更多場(chǎng)景，工程應(yīng)用廣泛。