基于CANopen协议的数字伺服控制

夏勇，叶晓东，赵江海

(1.中国科学院合肥物质科学研究院先进制造技术研究所，江苏 常州 213164;2.南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019)

0 引言

CAN即控制器局域网，是一种多主总线，被公认为最有前途的现场总线之一[1]。CAN协议一个最大特点是废除了传统的站地址编码，取而代之的是对通信数据块进行编码[2]。CANopen是CAN网络的一种应用层协议，是开放的、标准化的高层协议，是目前应用最广泛的嵌入式网络。CANopen建立在CAN的数据链路层之上，除了对应层规范(DS 301)进行定义外，CANopen还专门为不同的接口设备应用子协议定义了行规(DSP4)，其中CiA 402是针对驱动装置和运动控制装置的设备规范。本文正是针对CANopen在伺服上的运用展开的。

1 CANopen协议简析

CANopen协议包括对象字典(Object Dictionary，OD)、通信模型和设备模型三大部分，设备对象字典是中心概念[3]253。

1.1 设备模型

CANopen设备如图1所示，可以视作为一个抽象设备，一边接CAN总线，另一边接应用设备的I/O数据端口。应用部分设备制造商已经提供了相关设备规范。为了访问CANopen设备的对象字典，必须实现CANopen协议栈的相关功能[3]260。

图1 CANopen设备模型

1.2 对象字典

每个设备都拥有一个对象字典，对象字典提供了完全访问应用程序的途径，提供了设备使用的所有数据类型、通信参数、应用数据和参数配置。对象字典中常用索引:1000－1FFF，对应的对象为通讯子协议区域(如设备类型，错误寄存器，支持的PDO数量);索引:6000－9FFF，对应的对象为标准设备子协议区域(例如“DSP－402运动控制装置的设备规范”中的控制字、速度、位置等)。

1.3 CANopen 通讯模型

CANopen通讯模型定义了4种通讯对象:管理消息、服务数据对象、过程数据对象、预定义的消息或者特殊功能对象[4]。值得注意的是对象字典中对象的访问是使用对象字典索引和子索引，通讯对象或者消息的访问是通过 COB－ID。COB－ID本质上还是标识符(CAN－ID)，它只是被规划了特殊的含义。

1.3.1 服务数据对象(Service Data Object，SDO)

SDO用来访问一个设备的对象字典。访问者被称作客户(client)，被访问且提供所请求的设备称作服务器(Server)。SDO是以Server的角度去理解的，从服务器上获得数据叫做上传，往服务器上写数据叫做下载。SDO主要用于一些实时性要求不高的数据，一般用来配置和获得节点的参数。

1.3.2 过程数据对象(Process Data Object，PDO)

PDO用来传输实时数据，每个PDO在对象字典中用PDO通讯参数和PDO映射参数这2个对象描述。

通俗的讲，PDO只是一个载体，它里面装载什么对象是可以配置的，这些都是由PDO映射来完成。PDO映射用来把指定的对象字典装进PDO，或者从接收的PDO中将数据放到配置的对象中。

PDO分为TPDO和RPDO，但都是针对从站来说的。TPDO:主站←从站;RPDO:主站→从站。

1.3.3 管理消息(Network Management，NMT)

管理消息包括 Boot－ up 消息，Heartbeat协议以及 NMT[3]254。

CANopen状态机定义了初始化状态，就绪状态，运行状态和停止状态。上电后每个CANopen节点处于初始化状态，然后自动转入就绪状态，并发出Boot-up消息通知NMT主节点已经到就绪状态。在就绪状态SDO传输是允许的。主节点发送NMT消息启动从节点后，从节点就可以传输和发送PDO了。在停止状态，除了NMT消息外不允许传输和接收其他消息。

2 CANopen协议在伺服控制中的实现

实验平台由上位机，USBCAN－2A，Accelnet伺服驱动器，伺服电机构成，如图2所示。

图2 实验平台

上位机和CAN卡构成CANopen主站，负责整个网路的监控和管理，监控伺服系统的运行状态，并将上位机运动规划之后的运动参数发送给伺服。伺服系统构成从站，从站主要是执行主站发来的数据信息，并将必要的运动参数返回给主站进行相关的运动决策。

2.1 实现方法

主站开发环境选用 VC6.0，主要实现两部分内容:1)实现CAN的数据通信;2)实现CANopen数据帧的解析。前者的实现主要是调用USBCAN－2A的接口函数库，先打开CAN设备，然后对设备进行初始化，之后启动CAN卡，最后进行数据发送和接收，函数调用流程如图3所示。

后者的实现主要是对CAN数据帧的解析，这里的数据帧主要就是CANopen通讯模型定义的4种通讯对象。

对象字典中每个对象采用一个16位的索引值来寻址，为了允许访问数据结构中的单个元素，同时定义了一个8位的子索引[3]253。对象字典可用 SDO直接进行读写，也可以配置到 PDO映射中进行读写。

图4为SDO的使用方法。以上传和下载伺服控制器中参数目标速度为例，对象字典索引为60FF，子索引为00，大小为4字节，值为0x3E8。对应的SDO操作信息如图4所示。

图3 接口库函数使用流程

图4 SDO的上传和下载

返回的SDO命令字为80时为错误，具体的错误内容可参见SDO错误码。加速传送机制，最多传送4字节数据。大于4字节接着的数据都运用分段传送结构为SDO命令字+最多7字节数据[5]，多个分段只由1个确认报文应答以增加总线吞吐量。

图5为Copley伺服驱动器PDO配置方法。通讯参数和映射内容为预定义，可以用 SDO进行读取验证，配置RPDO映射与TPDO类似，以TPDO2，Node－ID等于2为例，配置TPDO步骤如图5所示。

实际运用当中，PDO传输类型常用的是:

(1)同步传输:在收到一个或者多个SYNC消息后触发PDO发送[6]。

(2)定时发送:有别于SYNC，它是节点本身定时发送，通过设置通讯参数eventtime来实现。但是，并不是所有设备都支持这项服务。

(3)事件触发:当节点的某个时间发生触发的一次数据发送，该方式是实时性最好的一种传输方式。

2.2 实现过程

实验中以伺服的两种位置模式为例，验证CANopen协议在伺服上的运用。上位机以SDO方式发送运动参数，启动远程节点，配置控制字来启动停止，控制界面在运动过程中定周期地发送SDO查询实时位置，速度和电流等。若使用PDO方式，必须先启动远程节点，并设置相关通讯参数。伺服调试的控制界面如图6所示。

图5 TPDO配置

图6 伺服调试的控制界面

离散位置模式经过计算设定的参数是:梯形模式，目标位置:36 000 Counts，配置最大速度:3 000 r/min，最大加速度:1 000 r/s2，最大减速度:500 r/s2。通过实验发现数据传输正确，伺服有较好的响应。实验数据如图7所示，图中1表示目标位置，2表示配置的速度曲线，3表示实时速度曲线，4线表示实时位置。

图7 离散位置模式曲线

为观测伺服对CANopen协议的动态响应，又实验了连续位置模式，通过计算设定的参数是:梯形模式，起始最大加速度:1 000 r/s2。最大速度:3 000 r/min。第二段最大加速度为333.33 r/s2。最大速度:4 000 r/min。最大减速度:1 333.33 r/s2。最终位置124 633 Counts。实验结果如图8所示，曲线颜色分配同上。通过实验发现数据传送无误，伺服能按照计算的模式进行运动。最终位置由于上位机定时器的不精确有少量的偏差。

图8 连续位置模式

3 结束语

CANopen面向对象的设计思想，协议公开透明，便于理解和开发的优点，在多轴运动控制上是一种高效的数据传输方法。

本文利用CANopen协议实现了由上位机和USBCAN－2A组成的主站与从站数字伺服之间的数据通讯，通过实例验证了CANopen协议在伺服控制上的可行性和较高的可靠性。同时，通过具体的实验和系统调试为基于CANopen协议多电机运动控制的实现奠定了理论和实践基础。

[1]宋海亮 CAN总线的特点及发展趋势[J].应用科学，2010(8):6－8.

[2]左永文.CAN总线通讯在汽车电子控制系统上的应用[J].计算机光盘软件与应用，2012(4):92－93.

[3]史久根，张培仁，陈真勇.CAN现场总线系统设计技术[M].北京:国防工业出版社，2004:251－260.

[4]CAN in Automation.CANopen Application Layer and Communication Profile[S].CiA Draft Standard 301，Version 4.02，2002(2).

[5]邓遵义，宁祎.基于CANopen协议的主节点通讯实现[J].微计算机信息，2008，25(23):62 －64，65.

[6]CAN in Automation.Device Profile Drivers and Motion Control[S].CiA Draft Standard Proposal 402，Version 2.0，2005(3).