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基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究是自動化領(lǐng)域發(fā)展的一個熱點，CANopen協(xié)議是目前流行于歐洲的基于CAN總線應(yīng)用層的標準協(xié)議，對工程設(shè)計者來說，研究現(xiàn)場總線的核心任務(wù)就是對控制節(jié)點進行開發(fā)，本文就是通過實現(xiàn)伺服電機控制模塊的CANopen為協(xié)議，說明一個基于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控制領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)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(zhuǎn)換速率上達到一定的要求外，還應(yīng)具有良好的在線可控性和實時在線狀態(tài)檢測功能，為此，利用CAN總線高層通信協(xié)議CANopen，結(jié)合陜西省教育廳“并條機自調(diào)勻整”項目對伺服電機控制模塊參數(shù)的要求，開發(fā)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。 1 CANopen協(xié)議概述 CANopen協(xié)議是由CiA協(xié)會針對CAN協(xié)議的不完整性而定義出的一個更高層次的協(xié)議——應(yīng)用層協(xié)議。一個CANopen設(shè)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上收發(fā)通信對象的服務(wù)，不同CANopen設(shè)備間的通信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(shè)備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信對象和應(yīng)用對象，對象字典位于通信程序和應(yīng)用程序之間，用于向應(yīng)用程序提供接口，應(yīng)用程序?qū)ο笞值溥M行操作，即可實現(xiàn)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(xiàn)CANopen通信，而功能部分則根據(jù)應(yīng)用要求來實現(xiàn)。 在CANopen網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每個節(jié)點都有唯一的一個對象字典，而且每個節(jié)點的對象字典都具有相同的結(jié)構(gòu)，但具體的內(nèi)容要根據(jù)不同的設(shè)備而定，包含了描述該設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)，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行處理，分別為管理報文（NMT）、服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO），過程數(shù)據(jù)對象（PDO）和預(yù)定義報文或特殊功能對象。具體的CANopen協(xié)議內(nèi)容可參考相關(guān)文檔。 2 伺服電機模塊的硬件實現(xiàn) 伺服電機模塊應(yīng)用Microchip公司生產(chǎn)的帶有CAN總線功能模塊的主頻為40M赫茲的PIC18F258單片機進行控制。根據(jù)并條機自調(diào)勻整系統(tǒng)對伺服電機的要求（9V－3000r/min，即3mV－1r/min），以及從總線上以1ms為周期發(fā)送來的D/A轉(zhuǎn)速控制數(shù)據(jù)，使用ADI公司的12位AD7243芯片進行D/A轉(zhuǎn)換，它具有300K赫茲轉(zhuǎn)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為硬件電路簡圖，根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)置AD7243電壓輸出為±5V，將AD7243芯片的ROFS引腳與REFIN引腳相連實現(xiàn)，在AD7243的輸出端接有OP07運算放大器，用于調(diào)整輸出電壓到±10V，以控制電機正反方向和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，圖中繼電器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(tài)采集時的隔離器，為實時了解伺服電機運行狀態(tài)，根據(jù)CANopen協(xié)議分別設(shè)計了用于指示系統(tǒng)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(diào)節(jié)零輸出偏置電壓的可調(diào)電位器R3；用ADuM1100高速數(shù)字隔離器代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(jié)點與同一網(wǎng)絡(luò)相連接并采用非屏蔽線部署網(wǎng)絡(luò)，從而降低系統(tǒng)成本。 [/table] 3 伺服電機模塊的CANopen協(xié)議實現(xiàn) （1）CANopen協(xié)議實現(xiàn) 伺服電機模塊在CANopen網(wǎng)絡(luò)中作為從節(jié)點發(fā)揮作用，完成屬于自己范圍內(nèi)的特定任務(wù)，進行實時數(shù)據(jù)傳輸，并對其負責(zé)的底層設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和控制，在實現(xiàn)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CAN總線接收控制伺服電機的數(shù)據(jù)（包括轉(zhuǎn)速控制、啟動和停止），采樣伺服Ready信號和電機當前狀態(tài)回送到CAN總線。 CANopen協(xié)議的核心內(nèi)容是對象字典，完成各種機器CANopen協(xié)議通信的實質(zhì)是在對象字典的基礎(chǔ)上進行操作，通過映射的關(guān)系實現(xiàn)對各種報文數(shù)據(jù)的處理，根據(jù)伺服電機模塊的功能并結(jié)合CANopen協(xié)議各類報文的特征，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(shè)置發(fā)送正弦波的幅度和相位，正弦波數(shù)據(jù)以占用兩字節(jié)的形式發(fā)送，結(jié)合繼電器1和2占用的一個字節(jié)組成3字節(jié)的TPDO報文，光耦1、2表示從RPDO報文接收到的數(shù)據(jù)狀態(tài)，在此監(jiān)控面板的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)的調(diào)試更加方便。 在示波器上觀察到的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只有一部分。此外，由于LabView軟件的限制，最高輸出數(shù)據(jù)周期只能達到1ms，因此，在示波器上看到的波形有折線存在，每個轉(zhuǎn)折點代表一個輸出點，通過設(shè)置相位值來決定轉(zhuǎn)折點的個數(shù)，即輸出多少個數(shù)據(jù)來表示一個波形，例如圖5中的相位為18，則會輸出36個點來表示一個周期波形。將此D/A輸出至伺服控制器即可實現(xiàn)對伺服電機的控制，這一點已在現(xiàn)場試驗中得到驗證。 [table] 5 結(jié)論 通過對并條機自調(diào)勻整系統(tǒng)的其他控制節(jié)點采用相同的方法進行CANopen協(xié)議開發(fā)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。除了伺服電機外一個完整的控制系統(tǒng)還應(yīng)有：主控模塊如（DSP或單片機）、PLC模塊和鍵盤顯示模塊等。和伺服電機模塊一樣，可將每個控制模塊都作為一個節(jié)點進行開發(fā)。每個節(jié)點都有各自的節(jié)點ID，所接收和發(fā)射的數(shù)據(jù)在總線上進行交流，通過改變伺服電機控制的低速羅拉轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)牽伸倍數(shù)，從而達到自調(diào)勻整的目的。 自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，標準化是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一個必然趨勢，將CAN總線應(yīng)用層協(xié)議CANopen應(yīng)用于該領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，本文通過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(yīng)用于并條機自調(diào)勻整系統(tǒng)中，使其具有了即插即用和在線監(jiān)控特性，增強了設(shè)備的可擴展性，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＿@種基于現(xiàn)場總線應(yīng)用層標準的協(xié)議的開發(fā)和使用，對提高系統(tǒng)的工作效率，特別是對復(fù)雜系統(tǒng)的研制具有一定的指導(dǎo)意義。 |
