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为协议，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。



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

伺服电机模块应用Microchip公司生产的带有CAN总线功能模块的主频为40M赫兹的PIC18F258单片机进行控制。根据并条机自调匀整系统对伺服电机的要求（9V－3000r/min，即3mV－1r/min），以及从总线上以1ms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300K赫兹转换速率，3种可选择的输出电压，分别是0～＋10V、0～＋5V和－5～＋5V，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±5V，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±10V，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。

图2中，在OP07上接有调节零输出偏置电压的可调电位器R3；用ADuM1100高速数字隔离器代替传统的光电耦合器，以降低功耗，提供精确的信号，MCP2551是一种可容错的高速CAN收发器，具有差分发射和接收能力，可将许多节点与同一网络相连接并采用非屏蔽线部署网络，从而降低系统成本。


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3 伺服电机模块的CANopen协议实现

（1）CANopen协议实现

伺服电机模块在CANopen网络中作为从节点发挥作用，完成属于自己范围内的特定任务，进行实时数据传输，并对其负责的底层设备进行数据采集和控制，在实现CANopen协议之前，必须先了解它在网络中的具体功能：通过CAN总线接收控制伺服电机的数据（包括转速控制、启动和停止），采样伺服Ready信号和电机当前状态回送到CAN总线。

CANopen协议的核心内容是对象字典，完成各种机器CANopen协议通信的实质是在对象字典的基础上进行操作，通过映射的关系实现对各种报文数据的处理，根据伺服电机模块的功能并结合CANopen协议各类报文的特征，定义了如表1和表2所列的属性。

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表1和表2定义的SDO报文和PDO报文分别用于读/写对象字典和传送实时数据，PDO报文映射参数子索引的内容代表PDO报文中各字节的用途，比如：RxPDO报文映射参数子索引0x64110110L指对象字典索引0x6411和子索引0x01，占16位的数据内容，即控制电机转速数据，此外，系统还定义了一个接收NMT报文，用于实现主节点对从结点的组态；一个 Heartbeat（心跳）报文，以5000ms为周期发送，使主节点实时监测从节点状态并在发生错误时及时进行处理。