伺服电机及伺服驱动系统远程控制，问题再多也有套路！

本文针对伺服电机远程控制接线复杂性、单一性、不稳定性等问题，提出采用开放式通信协议DS301、驱动子协议DSP402实现伺服电机控制的新方法。

前 言
CANopen是一种架构在控制局域网路（CAN）上的高层通讯协定，包括通讯子协定及设备子协定常在嵌入式系统中使用，也是工业控制常用到的一种现场总线。CANopen实现了OSI模型中的网络层以上（包括网络层）的协定。CANopen标准包括寻址方案、数个小的通讯子协定及由设备子协定所定义的应用层。CANopen支援网络管理、设备监控及节点间的通讯，其中包括一个简易的传输层，可处理资料的分段传送及其组合。一般而言数据链结层及物理层会用CAN来实作。除了CANopen外，也有其他的通讯协定（如EtherCAT）实作CANopen的设备子协定。

CANopen由非营利组织CiA进行标准的起草及审核工作，基本的CANopen设备及通讯子协定定义在CiA301中。针对个别设备的子协定以CiA301为基础再进行扩充。如针对I/O模组的CiA401及针对运动控制的CiA402。

针对伺服电机远程控制接线复杂、控制单一、可靠性不高等问题，提出利用CANopen通信协议、驱动子协议实现伺服电机控制的新方法。分析CANopen协议的对象字典和报文格式，详细介绍了CANopen伺服控制状态机各步骤的转换以及实现CANopen协议下PP、PV、HM3钟伺服控制模式的报文设置。利用CAN卡和伺服驱动设备以及伺服驱动设备以及PC机构建了实验平台，在上位机界面通过报文设置成功实现了基于CANopen协议的伺服电机的PP、PV、HM的三种模式的控制。实脸结果表明利用协议的报文设置控制电机简单易操作，通讯数据快速、可靠，用户通过上位机可以很好的实现对伺服电机的监控。

系统架构搭建
整个控制系统由PC机、CANopen上位机、USBCAN适配器、伺服驱动设备构成。CANopen通讯部分由DS301协议实现，伺服控制部分由DSP402协议实现伺服驱动设备作为的从节点，具有CANopen通讯功能，负责电机的电流、转速、位置等控制对象，它通过通信接口与总线相连，将信息传送给计算机的上位机界面；上位机界面则根据从站的反馈信息通过USBCAN适配器对伺服驱动设备实现控制。如图1所示为开放式通讯协议的伺服控制系统总体架构图。

图1 开放式通讯协议伺服控制系统总体架构图

开放式通讯协议伺服控制原理
1 CANopen通讯设备模型
CANopen的设备模型分为以下3个部分：通信单元、对象字典、应用过程。用户可以通过该模型对功能完全不同的设备进行描述。

CANopen的核心概念是对象字典，对象字典包含描述这个设备和它的网络行为的所有参数，应用单元和通信单元都可以问这个参数列表。对象字典中的参数通过一个16位索引和位子索引进行识别和定位。

通信部分由CAN收发器、CAN控制器和CANopen协议栈组成协议栈中定义了实现通讯的通讯对象：NMT（网络管理报文）、PDO（过程数据）SDO（服务数据对象）预定义报文或者特殊能对象（含同步报文、紧急报文、时间标记对象等）通信的所有内容和功能由这些通信对象描述，所有设备之间通信也通过这些通信对象完成。其中NMT用于主站对从站进行状态管理以及从站应答自身所处的通信状态，SDO用于主站对从站的对象字典进行配置和监控。PDO用来传输高速、小型数据。而特殊功能对象则用于同步网络中的通信对象（通常为PDO）的方法。应用部分是对设备的基本功能的定义和描述，它是连接设备与主站上位机的纽带，其核心功能是通过访问设备的对象字典对设备进行参数配置、状态控制和监控，并高速传输设备的过程数据信息。

2 伺服控制模式
CANopen驱动及运动控制设备子协议DSP402对特性的描述要求非常准确，它不仅定义了驱动器的运行模式，还定义了用于控制驱动器的状态机。驱动器状态机通过对象字典中的控制字6040来控制，并通过状态字6041来读取驱动器的状态。控制状态机如图2所示。

图2 控制状态机图

状态机可以分成以下3个部分：PowerDisabled(主电关闭)、PowerEbabled(主电打开)和Fault。所有状态在发生报警后均进入"Fault"在上电后，驱动器完成初始化，然后再进入SWUTCH_ON_DISABLED状态，在该状态，可以进行CAN通讯，可以对驱动器进行配置。此主电仍然关闭，电机没有被励磁。经过StateTransition（状态传输）2,3,4后，进入OPERATIONENABle此时，主电已开启，驱动器根据配置的工作模式控制电机。StateTransition（状态传输）9完成关闭电路主电。一旦驱动器发生报警，驱动器的状态都进入FAULT。

PP模式（简表位置模式）是典型的定位模式，可通过单步设定与连续设定两种方式控制电机运行到目标位置。PV模式（简表速度模式）是速度控制模式，HM（回零模式）提供多种达到起始位置的方法。