CANopen协议在伺服电机控制系统中的实现

　　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

　　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。