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伺服与运动

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伺服电机及伺服驱动系统远程控制,问题再多也有套路!

导读: 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。

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。

系统软硬件设计

1系统硬件设计

本文设计采用USBCAN和伺服驱动设备和PC机来搭建硬件平台。伺服驱动控制芯片采用的是DSP的芯片。

系统硬件搭建按以下步骤进行。首先在TI的开发环境中配置好的相关参数,并建立DS301工程项目,完成CANopen协议通信程序的调试运行。项目调试成功之后下载到驱动器中,在上位机界面中设置报文,测试SDO、PDO、NMT等通讯对象。测试结果正确则系统硬件搭建完成。

2系统软件设计

整个伺服控制的软件设计在CCS中建立,主要包括永磁同步电机的闭环控制程序和CANopen协议找的实现两大部分。如图3所示为软件设计流程图。

图3 软件设计流程图

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