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　　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檢測功能。為此，利用CAN總線高層通信協議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的要求，開發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。

　　CAN現場總線是20世紀80年代末由德國Bosch公司為公共汽車系統設計的現場總線，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信局域網，由于其高性能，高可靠性、實時性好以及獨特的設計，已廣泛應用于控制系統中的各檢測和執行機構之間的數據通信，是迄今為止唯一成為國際標準的現場總線，也是公認的全球范圍內最具前途的現場總線之一。由于CAN 總線系統的特性, 后來CAN總線廣泛地應用于過程工業、機械工業、紡織工業、農用機器、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域。基于現場總線的網絡技術的研究是自動化領域發展的一個熱點。CANopen協議是目前流行于歐洲的基于CAN總線應用層的標準協議。對工程設計者來說，研究現場總線的核心任務就是對控制節點進行開發。本文就是通過實現伺服電機控制模塊的CANopen協議，說明一個基于CANopen協議的控制網絡的組態。

　　CANopen協議是由CiA協會針對CAN協議的不完整性而定義出的一個更高層次的協議——應用層協議。一個CANopen 設備模塊可分為3部分,如圖1所示。通信接口和協議軟件用于提供在總線上收發通信對象的服務;不同CANopen 設備間的通信都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據類型、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CANopen 通信;而功能部分則根據應用要求來實現。

圖 1 基于 CAN 總線伺服運動控制系統結構

　　1 CAN總線控制系統設計

　　CAN具有技術先進、可靠性高、成本合理的特點，但CAN協議本身并不完整。其定義了數據鏈路層和部分物理層，為網絡中的CAN節點提供了一種廣播式報文分幀傳輸通道，其流量控制、節點地址分配、通訊建立等具體內容需

　　要使用者自己實現，因而需要建立應用層協議。當前國外流行的CAN總線分布式運動控制系統應用層協議主要標準有：CANopen協議，DeviceNet和SDS。國內主要標準有iCAN 等，在國內已實現400萬個節點。按照CAN總線協議，CAN總線可以是任意拓撲結構的，但一般來說，CAN 總線主要采用：總線型、環型、星型和網狀型4種拓撲結構。

　　基于CAN總線的運動控制系統如圖1 所示，有兩個顯著的特點，第一是其控制對象為伺服運動控制對象，第二是

　　其網絡化控制器包括CAN總線通信媒介和CAN控制器節點兩部分。

　　作為專門應用于工業自動化領域的網絡， CAN 總線具有如下優點：使用簡單方便、高效可靠、系統可擴充好。

　　CAN 總線是面向消息的編碼，而不是面向設備的編碼，故增添或刪減CAN 上的節點非常方便和靈活，易于系統的擴充。

　　在CANopen網絡系統中每個節點都有唯一的一個對象字典，而且每個節點的對象字典都具有相同的結構,但具體的內容要根據不同的設備而定，包含了描述該設備及其網絡行為的所有參數。CANopen協議還定義了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)、服務數據對象(SDO)、過程數據對象(PDO)和預定義報文或特殊功能對象。

　　2 CANopen通訊設備模型介紹

　　CANopen的設備模型分為以下3個部分：通信單元、對象字典、應用過程。用戶可以通過該模型對功能完全不同的設備進行描述。

　　CANopen的核心概念是對象字典，對象字典包含描述這個設備和它的網絡行為的所有參數， 應用單元和通信單元都可以問這個參數列表。對象字典中的參數通過一個16位索引和位子索引進行識別和定位。

　　通信部分由CAN收發器、CAN控制器和CANopen協議棧組成協議棧中定義了實現通訊的通訊對象： NMT(網絡管理報文) 、PDO(過程數據)SDO(服務數據對象)預定義報文或者特殊能對象( 含同步報文、緊急報文、時間標記對象等)通信的所有內容和功能由這些通信對象描述， 所有設備之間通信也通過這些通信對象完成。其中NMT用于主站對從站進行狀態管理以及從站應答自身所處的通信狀態，SDO用于主站對從站的對象字典進行配置和監

　　控。PDO用來傳輸高速、小型數據。而特殊功能對象則用于同步網絡中的通信對象(通常為PDO)的方法。

　　應用部分是對設備的基本功能的定義和描述，它是連接設備與主站上位機的紐帶， 其核心功能是通過訪問設備的對象字典對設備進行參數配置、狀態控制和監控， 并高速傳輸設備的過程數據信息。

　　3 硬件設計

　　伺服電機模塊使用帶有CAN總線功能模塊的PIC18F258單片機進行控制。根據并條機自調勻整系統對伺服電機的要求(9 V—3 000 r/min，即3 mV—1 r/min),以及從總線上以1 ms為周期發送來的D/A轉速控制數據,使用12位AD7243芯片進行D/A轉換。它具有300 kHz的轉換速率，3種可選擇的輸出電壓，分別是0～+10 V、0～+5 V和-5～+5 V，采用串行端口通信。

　　根據系統需求，設置AD7243電壓輸出為±5 V，將AD7243芯片的ROFS引腳與REFIN引腳相連實現。在AD7243的輸出端接有OP07運算放大器，用于調整輸出電壓到±10 V， 以控制電機正反方向和調節轉速。 采用繼電器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采集時的隔離器;為實時了解伺服電機運行狀態。根據CANopen協議分別設計了用于指示系統當前狀態和錯誤的LED(綠色和紅色)指示燈。

　　在OP07上接有調節零輸出偏置電壓的可調電位器R3;用ADuM1100高速數字隔離器替代傳統的光電耦合器，以降低功耗，提供精確的信號;采用MCP2551可容錯的高速CAN收發器，具有差分發射和接收能力，可將許多節點與同一網絡相連接并采用非屏蔽線部署網絡，從而降低系統成本。

　　4 軟件設計

　　整個伺服控制的軟件設計在CCS中建立，主要包括伺服電機的閉環控制程序和CANopen協議中的實現兩大部分。

　　初始化相關變量，使能全局中斷，進入伺服電機編碼器霍爾傳感器反饋UVW三路信號來判斷電機初始電角度位置。

　　設置從站節點地址和CAN通信波特率，初始化各通對象，完成各路的預定義映射，最后進入通信處理程序。CANopen報文結構由11位的COB-ID以及最多8字節的數據域構成。在上位機界面中通過NMT報文設置控制從站進入預作狀態或者運行狀態，再通過SDO報文設置伺服控制的各個參數( 速度、位置等)以及狀態機的各個狀態可以使電機按照不同控制模式運轉起來，最后通過將電機的當前參數映射到PDO中，讀取PDO報文的值得到電機當前值，將其與設置值對比得到控制結果的正確性，控制報文全部由SDO實現。

　　5 結論

　　以CAN現場總線實現在控制器和伺服之間的通信，不僅克服了傳統機械長軸控制方案的各種機械元件帶來的缺點，而且還具有同步性能好、各伺服單元不互相干擾、控制精度高、維護方便等優點。通過對并條機自調勻整系統的其他控制節點采用相同的方法進行CANopen協議開發，實現了網絡化的控制系統。每個節點都有各自的節點ID，所接收和發射的數據在總線上進行交流，通過改變伺服電機控制的電機轉速調節，從而達到自調勻整的目的。本文通過將伺服電機控制模塊做成符合CANopen協議的標準化裝置，并應用于并條機自調勻整系統中，使其具有了即插即用和在線監控特性，增強了設備的可擴展性，提高了數據傳輸的可靠性。