本文針對伺服電機遠程控制接線復(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)動子協(xié)議DSP402實現(xiàn)伺服電機控制的新方法。

        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)點間的通訊，其中包括一個簡易的傳輸層，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)層及物理層會用CAN來實作。除了CANopen外，也有其他的通訊協(xié)定（如EtherCAT）實作CANopen的設(shè)備子協(xié)定。

CANopen由非營利組織CiA進行標(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。針對個別設(shè)備的子協(xié)定以CiA301為基礎(chǔ)再進行擴充。如針對I/O模組的CiA401及針對運動控制的CiA402。

針對伺服電機遠程控制接線復(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)動子協(xié)議實現(xiàn)伺服電機控制的新方法。分析CANopen協(xié)議的對象字典和報文格式，詳細(xì)介紹了CANopen伺服控制狀態(tài)機各步驟的轉(zhuǎn)換以及實現(xiàn)CANopen協(xié)議下PP、PV、HM3鐘伺服控制模式的報文設(shè)置。利用CAN卡和伺服驅(qū)動設(shè)備以及伺服驅(qū)動設(shè)備以及PC機構(gòu)建了實驗平臺，在上位機界面通過報文設(shè)置成功實現(xiàn)了基于CANopen協(xié)議的伺服電機的PP、PV、HM的三種模式的控制。實臉結(jié)果表明利用協(xié)議的報文設(shè)置控制電機簡單易操作，通訊數(shù)據(jù)快速、可靠，用戶通過上位機可以很好的實現(xiàn)對伺服電機的監(jiān)控。

整個控制系統(tǒng)由PC機、CANopen上位機、USBCAN適配器、伺服驅(qū)動設(shè)備構(gòu)成。CANopen通訊部分由DS301協(xié)議實現(xiàn)，伺服控制部分由DSP402協(xié)議實現(xiàn)伺服驅(qū)動設(shè)備作為的從節(jié)點，具有CANopen通訊功能，負(fù)責(zé)電機的電流、轉(zhuǎn)速、位置等控制對象，它通過通信接口與總線相連，將信息傳送給計算機的上位機界面；上位機界面則根據(jù)從站的反饋信息通過USBCAN適配器對伺服驅(qū)動設(shè)備實現(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(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參數(shù)列表。對象字典中的參數(shù)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(fā)器、CAN控制器和CANopen協(xié)議棧組成協(xié)議棧中定義了實現(xiàn)通訊的通訊對象：NMT（網(wǎng)絡(luò)管理報文）、PDO（過程數(shù)據(jù)）SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對象）預(yù)定義報文或者特殊能對象（含同步報文、緊急報文、時間標(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)動及運動控制設(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)動器的運行模式，還定義了用于控制驅(qū)動器的狀態(tài)機。驅(qū)動器狀態(tài)機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)動器的狀態(tài)。控制狀態(tài)機如圖2所示。

圖2 控制狀態(tài)機圖

狀態(tài)機可以分成以下3個部分：PowerDisabled(主電關(guān)閉)、PowerEbabled(主電打開)和Fault。所有狀態(tài)在發(fā)生報警后均進入“Fault”在上電后，驅(qū)動器完成初始化，然后再進入SWUTCH_ON_DISABLED狀態(tài)，在該狀態(tài)，可以進行CAN通訊，可以對驅(qū)動器進行配置。此主電仍然關(guān)閉，電機沒有被勵磁。經(jīng)過StateTransition（狀態(tài)傳輸）2,3,4后，進入OPERATIONENABle此時，主電已開啟，驅(qū)動器根據(jù)配置的工作模式控制電機。StateTransition（狀態(tài)傳輸）9完成關(guān)閉電路主電。一旦驅(qū)動器發(fā)生報警，驅(qū)動器的狀態(tài)都進入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運行到目標(biāo)位置。PV模式（簡表速度模式）是速度控制模式，HM（回零模式）提供多種達到起始位置的方法。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計采用USBCAN和伺服驅(qū)動設(shè)備和PC機來搭建硬件平臺。伺服驅(qū)動控制芯片采用的是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工程項目，完成CANopen協(xié)議通信程序的調(diào)試運行。項目調(diào)試成功之后下載到驅(qū)動器中，在上位機界面中設(shè)置報文，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

整個伺服控制的軟件設(shè)計在CCS中建立，主要包括永磁同步電機的閉環(huán)控制程序和CANopen協(xié)議找的實現(xiàn)兩大部分。如圖3所示為軟件設(shè)計流程圖。

圖3 軟件設(shè)計流程圖

初始化部分程序主要完成DSP系統(tǒng)的初始化以及CANopen通訊的初始化。

初始化主要完成的工作如下：

初始化相關(guān)變量，使能全局中斷，進人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。

初始化通訊的主要完成的工作如下：

設(shè)置從站節(jié)點地址和CAN通信波特率，初始化各通對象，完成各路的預(yù)定義映射，最后進入通信處理程序。

3伺服控制報文設(shè)置

CANopen報文結(jié)構(gòu)由11位的COB-ID以及最多8字節(jié)的數(shù)據(jù)域構(gòu)成。在上位機界面中通過NMT報文設(shè)置控制從站進入預(yù)作狀態(tài)或者運行狀態(tài)，再通過SDO報文設(shè)置伺服控制的各個參數(shù)（速度、位置等）以及狀態(tài)機的各個狀態(tài)可以使電機按照不同控制模式運轉(zhuǎn)起來，最后通過將電機的當(dāng)前參數(shù)映射到PDO中，讀取PDO報文的值得到電機當(dāng)前值，將其與設(shè)置值對比得到控制結(jié)果的正確性。控制報文全部由SDO實現(xiàn)。

以下為PP模式控制、PV模式控制和HM模式控制報文列表：

1.PP模式控制報文列表

2.PV模式控制報文列表

3.HM模式報文列表

以上三種控制模式報文操作都是首先設(shè)置伺服控制模式，然后根據(jù)當(dāng)前模式依次輸入相關(guān)的目標(biāo)控制值（如位置、速度、回零方式等），最后按照狀態(tài)機步驟使用6040h控制電機啟動與停止。

本系統(tǒng)的上位機界面由USBCAN的上位機界面及電機的監(jiān)控界面兩部分構(gòu)成，其中USBCAN的上位機界面作為CANopen報文數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，電機的監(jiān)控界面用VB2008開發(fā)。在上位機界面中通信波特率選用1Mbps伺服電機Node-ID設(shè)置為1，心跳周期為1s，TPDO發(fā)送周期為100ms，同時設(shè)置好電機電流環(huán)、位置環(huán)、速度環(huán)的參數(shù)，將設(shè)置的報文依次輸入上位機界面的SDO控制，電機啟動并運行到報文中的設(shè)定值，電機手動遙控器顯示值與設(shè)定值一致，同時上位機界面中報文顯示值也與設(shè)定值一致，成功實現(xiàn)了伺服控制的控制。

1PP模式

電機監(jiān)控界面中位置控制曲線如下圖4所示：

圖4 電機位置控制曲線

在上位機界面中設(shè)置好報文值，電機啟動。電機先加速運行，達到設(shè)定的目標(biāo)速度值后開始勻速運行，直至達到設(shè)定的目標(biāo)位置值就不再變化。上位機過程數(shù)據(jù)與電機監(jiān)控曲線變化一致。如果需要改變電機的位置值，在上位機界面中依次輸人新的控制報文，電機會根據(jù)設(shè)定值正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，繼續(xù)運行到新的位置。

2PV模式

電機首先加速到設(shè)定的目標(biāo)速度值，然后按照設(shè)疋值勾速運打。如果需要改變運行的速度，同樣可在上位機界面中輸人新的速度值，加速時的變化如上所述。減速控制時，電機減速直至速度為則停止。如圖5所示為上位機數(shù)據(jù)變化與電機監(jiān)控曲線變化一致速度控制曲線。

圖5 電機速度控制曲線圖

3HM模式

電機先加速到設(shè)定速度，然后尋找原點位置，找到原點后，電機回零，減速直至這時分別在上位機界面以及電機的手動遙控器伺服電機中査看電機的當(dāng)前位置值，都可以看到電機的當(dāng)前設(shè)為說明電機回零操作完成。如圖6所示為位置控制曲線圖。

圖6 位置控制曲線圖

在實際應(yīng)用應(yīng)用過程中，本文所設(shè)計的系統(tǒng)運行可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確易分析，機先加速運行，達到設(shè)定的目標(biāo)速度值后開始勻速實時性好，協(xié)議棧程序易植入。該方法可以擴展適用于多電機控制系統(tǒng)，而且的CANopen通信協(xié)議棧適用于所有設(shè)備，在工程應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。