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基于現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的研究是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，CANopen協(xié)議是目前流行于歐洲的基于CAN總線(xiàn)應用層的標準協(xié)議，對工程設計者來(lái)說(shuō)，研究現場(chǎng)總線(xiàn)的核心任務(wù)就是對控制節點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，本文就是通過(guò)實(shí)現伺服電機控制模塊的CANopen為協(xié)議，說(shuō)明一個(gè)基于CANopen協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò )的組態(tài)。 伺服電機控制器在自動(dòng)控制領(lǐng)域里有著(zhù)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(xiàn)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(xiàn)可控性和實(shí)時(shí)在線(xiàn)狀態(tài)檢測功能，為此，利用CAN總線(xiàn)高層通信協(xié)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(kāi)發(fā)了一個(gè)具有硬件可重用性、軟件可重配置特點(diǎn)的伺服電機控制模塊。 1 CANopen協(xié)議概述 CANopen協(xié)議是由CiA協(xié)會(huì )針對CAN協(xié)議的不完整性而定義出的一個(gè)更高層次的協(xié)議——應用層協(xié)議。一個(gè)CANopen設備模塊可分為3部分，如圖1所示，通信接口和協(xié)議軟件用于提供在總線(xiàn)上收發(fā)通信對象的服務(wù)，不同CANopen設備間的通信是通過(guò)交換通信對象來(lái)完成的。這一部分直接面向CAN控制器進(jìn)行操作，對象字典描述了設備使用的所有數據類(lèi)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(jìn)行操作，即可實(shí)現CANopen通信。它包括功能部分和通信部分，通信部分通過(guò)對對象字典進(jìn)行操作實(shí)現CANopen通信，而功能部分則根據應用要求來(lái)實(shí)現。 在CANopen網(wǎng)絡(luò )系統中每個(gè)節點(diǎn)都有唯一的一個(gè)對象字典，而且每個(gè)節點(diǎn)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(wǎng)絡(luò )行為的所有參數，CANopen協(xié)議還定義了4種報文（通信對象），用于對不同作用的信息進(jìn)行處理，分別為管理報文（NMT）、服務(wù)數據對象（SDO），過(guò)程數據對象（PDO）和預定義報文或特殊功能對象。具體的CANopen協(xié)議內容可參考相關(guān)文檔。 2 伺服電機模塊的硬件實(shí)現 伺服電機模塊應用Microchip公司生產(chǎn)的帶有CAN總線(xiàn)功能模塊的主頻為40M赫茲的PIC18F258單片機進(jìn)行控制。根據并條機自調勻整系統對伺服電機的要求（9V－3000r/min，即3mV－1r/min），以及從總線(xiàn)上以1ms為周期發(fā)送來(lái)的D/A轉速控制數據，使用ADI公司的12位AD7243芯片進(jìn)行D/A轉換，它具有300K赫茲轉換速率，3種可選擇的輸出電壓，分別是0～＋10V、0～＋5V和－5～＋5V，采用串行端口通信。 圖2為硬件電路簡(jiǎn)圖，根據系統需求，設置AD7243電壓輸出為±5V，將AD7243芯片的ROFS引腳與REFIN引腳相連實(shí)現，在A(yíng)D7243的輸出端接有OP07運算放大器，用于調整輸出電壓到±10V，以控制電機正反方向和調節轉速，圖中繼電器FDLL4148用于控制電機的啟動(dòng)和停止，光耦TL521用于對伺服電機狀態(tài)采集時(shí)的隔離器，為實(shí)時(shí)了解伺服電機運行狀態(tài)，根據CANopen協(xié)議分別設計了用于指示系統當前狀態(tài)和錯誤的LED（綠色和紅色）指示燈。J1為與伺服控制器的接口插件。 圖2中，在OP07上接有調節零輸出偏置電壓的可調電位器R3；用ADuM1100高速數字隔離器代替傳統的光電耦合器，以降低功耗，提供精確的信號，MCP2551是一種可容錯的高速CAN收發(fā)器，具有差分發(fā)射和接收能力，可將許多節點(diǎn)與同一網(wǎng)絡(luò )相連接并采用非屏蔽線(xiàn)部署網(wǎng)絡(luò )，從而降低系統成本。 [/table] 3 伺服電機模塊的CANopen協(xié)議實(shí)現 （1）CANopen協(xié)議實(shí)現 伺服電機模塊在CANopen網(wǎng)絡(luò )中作為從節點(diǎn)發(fā)揮作用，完成屬于自己范圍內的特定任務(wù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數據傳輸，并對其負責的底層設備進(jìn)行數據采集和控制，在實(shí)現CANopen協(xié)議之前，必須先了解它在網(wǎng)絡(luò )中的具體功能：通過(guò)CAN總線(xiàn)接收控制伺服電機的數據（包括轉速控制、啟動(dòng)和停止），采樣伺服Ready信號和電機當前狀態(tài)回送到CAN總線(xiàn)。 CANopen協(xié)議的核心內容是對象字典，完成各種機器CANopen協(xié)議通信的實(shí)質(zhì)是在對象字典的基礎上進(jìn)行操作，通過(guò)映射的關(guān)系實(shí)現對各種報文數據的處理，根據伺服電機模塊的功能并結合CANopen協(xié)議各類(lèi)報文的特征，定義了如表1和表2所列的屬性。
圖4中的amplitude和phase分別用于設置發(fā)送正弦波的幅度和相位，正弦波數據以占用兩字節的形式發(fā)送，結合繼電器1和2占用的一個(gè)字節組成3字節的TPDO報文，光耦1、2表示從RPDO報文接收到的數據狀態(tài)，在此監控面板的基礎上，使系統的調試更加方便。 在示波器上觀(guān)察到的D/A輸出波形如圖5所示，因為D/A輸出為瞬間波形，所以在示波器上看到的波形光線(xiàn)只有一部分。此外，由于LabView軟件的限制，最高輸出數據周期只能達到1ms，因此，在示波器上看到的波形有折線(xiàn)存在，每個(gè)轉折點(diǎn)代表一個(gè)輸出點(diǎn)，通過(guò)設置相位值來(lái)決定轉折點(diǎn)的個(gè)數，即輸出多少個(gè)數據來(lái)表示一個(gè)波形，例如圖5中的相位為18，則會(huì )輸出36個(gè)點(diǎn)來(lái)表示一個(gè)周期波形。將此D/A輸出至伺服控制器即可實(shí)現對伺服電機的控制，這一點(diǎn)已在現場(chǎng)試驗中得到驗證。 [table] 5 結論 通過(guò)對并條機自調勻整系統的其他控制節點(diǎn)采用相同的方法進(jìn)行CANopen協(xié)議開(kāi)發(fā)，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )化的控制系統。除了伺服電機外一個(gè)完整的控制系統還應有：主控模塊如（DSP或單片機）、PLC模塊和鍵盤(pán)顯示模塊等。和伺服電機模塊一樣，可將每個(gè)控制模塊都作為一個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。每個(gè)節點(diǎn)都有各自的節點(diǎn)ID，所接收和發(fā)射的數據在總線(xiàn)上進(jìn)行交流，通過(guò)改變伺服電機控制的低速羅拉轉速來(lái)調節牽伸倍數，從而達到自調勻整的目的。 自動(dòng)控制系統的網(wǎng)絡(luò )化，標準化是現代工業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢，將CAN總線(xiàn)應用層協(xié)議CANopen應用于該領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景，本文通過(guò)將伺服電機控制模塊做成符合CANopen協(xié)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(xiàn)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。這種基于現場(chǎng)總線(xiàn)應用層標準的協(xié)議的開(kāi)發(fā)和使用，對提高系統的工作效率，特別是對復雜系統的研制具有一定的指導意義。 |
