基于Canopen协议的运动控制系统设计

基于Canopen协议的运动控制系统设计

刘玉倩张文靳卫国王慧

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，101601)

摘要：描述了一种最广泛应用的现场总线CAN和最为成功的CAN应用层协议Canopen,介绍了CAN +Canopen工业控制总线解决方案，重点阐述了这种解决方案在一种工业控制模型中的实现。同时对软件设计、设备调试中的问题提出解决方案，对系统效率、可靠性进行测试优化。

关键词：CAN；Canopen；运动控制；软件编程

中文分类号：文献标志码：文章编号：

Motion Control System Design Based on Canopen protocol

Liu Yuqian, Fu Chunhe, Zhang Wen, Jin Weiguo

(The 45th Research Institute of CETC,Beijing 101601,Chia)

Abstract:This paper describes a widely used fieldbus CAN and the successful Application layer protocol Canopen ,introduces the CAN and Canopen industry control fieldbus solutions, emphatically expounds the realization of the field bus resolution in the industry control model. At the same time, put forward resolvents of problems in software design and machine debugging, tests and optimizes the system’s stability and efficiency.

KeyWord: CAN；Canopen；motion control；software program

CAN总线系统解决方案是利用CAN总线的优点及其特长为机器自动化设备提供高效、可靠、性价比高的解决方案。CAN+Canopen是机器自动化领域最为成功的总线解决方案，在欧美被广泛应用]1[。本文将以一种全自动半导体设备为具体实例，介绍一种基于CAN+Canopen解决方案的工业控制模型的软件实现。1CAN和Canopen协议

CAN是最早的，也是应用最为广泛的现场总线。CANopen是欧洲CIA组织定义的最为成功的CAN应用层协议，在基于CAN的自动化系统中居于领导地位。CAN现场总线技术是集自动控制技术、通讯技术、传感技术、计算机技术等于一体，是个革命性的技术，正广泛应用于自动化各个领域。目前广泛使用的其它现场总线还有Profibus、DeviceNet、ControlNet、HART、FF等等，但是CAN 总线也是所有现场纵向中最早出现的，也是最适合机器自动化领域的现场总线。

CAN总线除了具有一般总线所具有的优点外，还根据机械自动化的特点，提供了一些非常有优势的技术特点：

1. 高速的数据传输速率可达1M bit/s；

2. 采用对数据通信数据块进行编码，可以多主方式工作；

3. 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，有效避免了总线冲突。

4. 可靠的错误处理和检错机制

5. 革命化的报文传输方式：SDO和PDO。

Canopen协议已经成为欧洲最重要的工业现场总线标准EN-50325-4。ED系列伺服是标准的CAN从站设备，严格遵循Canopen，任何支持该协议的上位机均可以与其进行通讯]2[。ED伺服内部使用了一种严格定义的对象列表，被称之为对象辞典，这种对象辞典的设计方式基于Canopen国际标准，所有对象有明确的功能定义。对象类似于内存地址，有些对象如速度和位置可以由外部控制器修改，如状态、错误信息。

2系统结构

该工业控制模型即全自动半导体设备就采用这种总线解决方案，由主控单元：Copley CAN卡和受控单元（Copley IO板和Copley驱动器）组成，使用CANopen协议进行通讯。

图1 运动控制系统机构

在软件编程前首先在硬件上进行相应的设置：

1. Copley的CAN卡上有两个CAN口，CAN0和CAN1，若网线插入CAN0需在软件中初始化CAN0。

2. AMP的拨码：在驱动器上拨码设置，对应软件里的设置节点ID号。

3.电机调相。

4. PID控制调制。CME2软件里可观察运动曲线，首先是电流环，其次是速度环、最后是位置环。

5. IO卡的输入输出Bank需要由CME2来设置等等。

3软件编程实现

软件编程的实现，在Windows平台下，使用VC++6.0作为开发工具。Copley 公司提供了功能强大的底层运动控制库，此库提供很多底层类，从功能上可以分为运动控制类和信号输入输出类。根据需要，封装底层库。因为使用Copley驱动器和Copley的IO卡，所以主要使用CanOpen类、Amp类、IOModule类以及Error类等。根据需要在Copley底层库的基础上封装合适的运动类库。

3.1 初始化

首先要进行软件参数包括设备工艺参数、电机软限位、速度、加速度、加加速度等参数的初始化，然后打开CAN卡，设置波特率，CanOpen初始化。

long CSP_Motion::MC_CardOpen(void)

{

//从驱动器加载默认设置

//设置Canopen通讯接口口为CAN0

//设置波特率为1Mbps

//打开Canopen

//如果打开失败，返回错误码

}

驱动器的初始化

long CSP_Motion::MC_Init(int NodeID)

{

//定义一个驱动器设置类对象

//设置驱动器参数

//初始化驱动器

//如果初始化失败，返回错误码

}

IO卡的初始化

long CSP_Motion::IO_Init(int IoNum,int NodeID)

{

//初始化IO卡，即连接IO卡通讯

//关闭IO卡中断，使IO工作在查询模式

//如果初始化失败，返回错误码

}

此外还有驱动器的清除故障、复位、重新初始化、使能、失能等函数，以上函数均为在底层库德基础上的封装。NodeID即为节点号。IO_Init中的m_io[IoNum].DinSetIntEna(false)语句为IO卡初始化的时候关中断，这是因为使用IO卡的中断功能实现IO数字输入信号的刷新，实时获取IO输入的最新状态，如果使用查询方式读取，则CPU会处于非常忙碌的状态，而且实时性上不能满足要求，在面板响应和逻辑流程中非常重要。

3.2电机控制

3.2.1回零方式

在底层库的结构体HomeConfig可配置电机的回零方式，很多中，可根据需要选择，然后使用m_amp[NodeID-1].GoHome()指令回零。

3.2.2控制模式

电机可工作需要工作在位置模式或力矩模式下，有时需要在位置模式和力矩模式下切换比如印刷刮板电机在印刷时从位置模式转到力矩模式，电机输出印刷时所需要的压力。

long CLogicKernel::LGK_SwitchTorque(int NodeID ,int NodeID)

{

//设置力矩模式

//设置额定力矩

//设置力矩变化率

//设置实际力矩

}

从力矩模式到位置模式的切换只需要调用运行指令。

电机软限位和运行参数的设置，在电机运行之前要设置电机的软限位，速度，加速度，加加速度参数

long CSP_Motion::MC_SetSoftLimit(int NodeID,double dPos,double dNeg,double dAcc) {

//定义一个软限位实例对象

//正向位置赋值

//负向位置赋值

//加速度赋值

//设置电机轴的软限位

//如果设置失败，返回错误码

}

long CSP_Motion::MC_SetParam(int NodeID,double V el,double Acc,double Jerk)

{

//设置运动曲线类型为S型曲线

//设置S曲线速度

//设置曲线加速度

//设置曲线加加速度

//设置驱动器运动模式

}

电机的运行方式有两种运行方式，绝对运动和相对运动，在此基础上还可以分为模态运动和非模态运动，所谓模态运动是指电机完成当前运动后程序再执行下一条运动，而非模态运动值得是发完当前运行指令后立即执行下一条指令，而不需要等待当前动作执行完毕。

long CSP_Motion::MC_WaitMoveDone(int NodeID,int timeout)

{

//等待当前运动指令完成

//如果出错，则返回错误码

}

电机的停止模式有几种，有HaltMove,HardStop,通过SetHaltMode可以设置电机停止模式。

3.2.3电机的多轴联动

Copley底层库提供了Linkage类，通过此类可实现电机的多轴联动，在电机需要同时运动，同时停止时使用此类，例如印刷机旋转台前预对夹电机、左夹、右夹电机。另外在电机回零时可使多个电机同时回零，以节省设备复位时间。3.3 IO模块

输入输出包括了电机驱动器自带的输入输出，可以使用AMP类下的GetInputs()函数，在电机回零，判断和设置电机状态时使用。主要是CopleyIO卡，其控制函数主要在IOModule Class类，包括读数字输入，读写数字数出，输出模拟量等函数。前面提到，使用中断方式实时刷新数字输入信号，主要是在程序中开监控线程，调用信号等待中断函数。

long CSP_Motion::IO_WaitEvent(int IoNum,int timeout)

{

//开IO卡中断

//等待IO卡输入引脚的状态突变

//关IO卡中断

//如果出错，返回错误码

}

3.4 程序设计思想

全自动半导体设备逻辑复杂，电机和IO的数量繁多，不仅对印刷效率要求很高，而且对设备的可靠性、印刷精度的要求也非常高，因此对设备软件的实时性、稳定性设计也提出了更高的要求。

图2 程序设计思想

4. 系统测试及解决方案

4.1 电机运行模式设为T型曲线时，电机动作很硬，后改为走S型曲线模式，性能得到很大改善。

4.2机器复位效率，全自动半导体设备电机轴很多，设备复位时各个电机顺序回零速度很慢，需要10多分钟，使用各部分电机联动回零方式，使得设备复位时间为5分钟。

4.3 Copley IO的数字输入输出读写有几种方式，一位，八位、十六位、三十二位读写，经过反复实验，选取八位读写方式，因为每个Io板有9个Bank，每个Bank有八位，可以设置为输入和输出，从地址分配也比较方便。

4.4 IO由查询方式，改为中断模式，因为印刷机的IO非常多，如果使用IO 查询方式读取数字IO输入，会使工控机的CPU的占用率达到100%，而且不会得到实时状态。经常出现死机状态。因此选用中断方式刷新数字IO状态，不仅能实时得到IO数字输入状态，对CPU的使用率几乎没有影响，设备运行时，仅为2%~%6。

4.5由于此半导体设备电机轴也非常繁多，在保证设备可靠性和效率的前提下，逻辑流程的设计难度非常大，所要开启的线程也很多，如果仅靠时间上匹配，是不可能的。因此采用线程之间通过事件相互传递信号，提高了设备的可靠性，现在设备已经经过24小时的无故障连续运行考核，效率也得到用户认可。

5 结束语

该全自动半导体设备的运动控制系统采用CAN+CanOpen这种总线解决方案是可行而有效的，针对这种总线解决方案选择使用了Copley公司的CAN卡和电机驱动器以及IO卡，然后在其提供的底层类库封装适合自己的运动类库，然后设计并不断优化软件设计思想、逻辑流程，以保证设备的可靠性和稳定性，提高设备的生产效率。

参考文献：

1.赵建光杨建武孙树文基于CANOpen协议的I/O从站的开发与应用[J] 微计算机信息

2007,23

2.何光宇胡正秦霆镐王健针对工业控制的Canopen 系统[J] 组合机床与自动化加工技

术2007,4

作者：刘玉倩（1984-）女，山东阳谷人，助理工程师，2008年毕业于南京航空航天大学控制理论与控制工程专业。2008年4月至今在中国电子科技集团公司第四十五研究所从事印刷机开发与研制工作。