基于CANopen协议的工业机器人用轴伺服驱动系统的控制实现

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＡＮｏｐｅｎ；ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔｓ；ｓｅｒｖｏ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ；ＤＳＰ４０２
０引言
ＣＡＮｏｐｅｎ是一种开放的现场总线协议，已在欧洲 和美国获得广泛的认可和大量的应用。由于ＣＡＮ （Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）只定义了物理层和数据链路 层，没有规定应用层，导致不同厂商开发的ＣＡＮ总线 设备存在不兼容和缺乏互操作性等问题。基于应用层 无规范问题，在１９９５年ＣｉＡ（ＣＡＮ ｉｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）颁布 了完整的ＣＡＮｏｐｅｎ协议，该协议是建立在ＣＡＮ总线 之上的应用层协议，它包括了应用层规范、通信协议和 设备协议。其中，实时伺服驱动和运动控制子协议 （ＣＡＮｏｐｅｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｐｒｏｆｉｌｅ ｆｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎ－ ｔｒｏｌ，简称ＤＳＰ４０２）主要用于实时伺服驱动系统和运动 控制。
２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｅｔｒｏｎｉｃ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣＡＮｏｐｅｎ ｉｓ ａｎ ｏｐｅｎ ｆｉｅｌｄ ｂｕｓ ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｆｏｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｕｔｏｍａ— ｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｕｒｏｐｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ＣＡＮｏｐｅｎ ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｉｎ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔａｋｉｎｇ Ｓａｎｙｏ Ｒ Ｓｅｒｉｅｓ ｓｉｎｇｌｅ－ａｘｉｓ ｓｅｒｖｏ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｒｏｂｏｔｓ．Ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕ— ｃｉｎｇ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｌａｖｅ ｄｒｉｖｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ＣＡＮｏｐｅｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｐｒｏｆｉｌｅ ＤＳＰ４０２ ｆｏｒ ｒｅａｌ．ｔｉｍｅ ｓｅｒｖｏ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒ０１．
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ＵＳＢ转 ｃＡＮ模块
己：办
伺服放大
伺服马达
图４ 系统连接示意图
主站使用ＣＡＮｏｐｅｎ控制软件通过ＵＳＢ转ＣＡＮ模 块发送相关指令给ＣＡＮｏｐｅｎ用单轴伺服放大器，伺服 放大器接收到指令后对伺服马达进行控制。
在该系统中，主站所采用的ＣＡＮｏｐｅｎ协议控制软 件为周立功公司开发的ＺＬＧＣＡＮＰｒｏ软件；所使用的 ＵＳＢ转ＣＡＮ模块为沈阳广成科技有限公司生产的 ＵＳＢＣＡＮ分析仪；所选用的ＣＡＮｏｐｅｎ用单轴伺服放大
（２）ＳＤＯ（Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｄａｔａ Ｏｂｊｅｃｔ）：服务数据对象，用 于传送组态数据、对设备进行配置、设定ＰＤＯ的格式。 它用来访问一个设备的对象字典，ＳＤＯ使用了ｃｌｉｅｎｔ／ ｓｅｒｖｅｒ模型，主站设备被称为客户（ｃｌｉｅｎｔ），主站设备通 过访问从站设备（ｓｅｒｖｅｒ）的对象字典来对其进行读写 操作。ＳＤＯ的消息格式如图３所示。
索引 １０００—ｌＦＦＦ ２０００一５ＦＦＦ ６０００一９ＦＦＦ Ａ０００一ＦＦＦＦ
对象 通信子协议区域 制造商特定子协议区域 标准的设备子协议区域
ＲｅｓｅＩｖｅｄ
一个设备的对象字典一般以电子数据文档（ＥＤＳ： Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ）的形式记录，可通过ＯＤＢｕｉｌｄｅｒ 软件打开，该ＥＤＳ文档需与厂家索要。
通信子协议ＤＳ３０１定义了四类通信对象： （１）ＮＭＴ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｏｂｊｅｃｔ）：网络管 理对象，用于进行层管理、网络管理和ＩＤ分配管理等。 ＮＭＴ使用了ｍａｓｔｅｒ／ｓｌａｖｅ模型，一个ＣＡＮｏｐｅｎ设备为 ｍａｓｔｅｒ，负责传送或接收其他设备（称为ｓｌａｖｅ）的资料。 ＮＭＴ的消息格式如图２所示。
ＣＡＮｏｐｅｎ的通信结构参考开放系统互连（ＯＳＩ）模 型，ＣＡＮ标准与ＣＡＮｏｐｅｎ协议的关系如图１所示。 ＣＡＮ仅定义了ＯＳＩ的物理层和数据链路层（见 ＩＳ０１１８９８标准），这两层完全由硬件实现；ＣＡＮｏｐｅｎ以 ＣＡＮ协议为基础定义了一个开放的、标准化的应用 层，它包括通信子协议（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｆｉｌｅ，ＤＳ３０１）
相对应的值 ０１ｈ
０ｘ６０４０００ｌＯ ０１ｈ
０ｘ６０７Ａ００２０ ０１ｈ
０ｘ６０４１００１０ ０１ｈ
０ｘ６０６４００２０
参数说明 映射对象的个数为１
控制字对象 映射对象的个数为１
目标位置对象 映射对象的个数为１
状态字对象 映射对象的个数为１
当前位置对象
（ｂ）在配置完表３所示参数后，需对修改过的参 数进行保存，使用ＳＤＯ通过对ＯＤ中索引为１０１０ｈ，子 索引为０１ｈ的对象进行“６５ｈ ７６ｈ ６１ｈ ７３ｈ”的写操作， 即可保存所有修改过的参数。
关键词：ＣＡＮｏｐｅｎ；工业机器人；伺服驱动系统；ＤＳＰ４０２
中图分类号：ＴＰ２７３．５
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６—２３９４（２０１３）１１—０００４—０４
Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｒｖｏ Ｄｒｉｖｅ Ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｒｏｂｏｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ
图１ ＣＡＮｏｐｅｎ的通信结构
对象字典（ＯＤ：Ｏｂｊｅｃｅ Ｄｉｃｔｏｎａｒｙ）是用于主站和从 站进行交互的通信媒介，它是一个有序的对象组，每个 对象采用一个１６位的索引值来寻址，为方便访问数据 结构中的单个元素，同时定义了一个８位的子索引，对 象字典的结构参照表如表１所示。
表１ ＣＡＮｏｐｅｎ对象字典结构参照表
收稿日期：２０１３－０８ 基金项目：高等学校博士点专项科研基金联合资助类（２０１２１４０２１ １００１７） 作者简介：常晓明（１９５４一），男，博士，教授，研究方向为计算机监控系统、检测技术与自动化装置。
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和设备子协议（Ｄｅｖｉｃｅ Ｐｒｏｆｉｌｅ，ＤＳＰ４０２）两部分。
图６节点监视报文格式 由图６可知，从站当前的通信状态为“Ｐｒｅ．ｏｐｅｒａ． ｆｉｏｎａｌ”，即预运行状态。 ３．２参数配置阶段 主站可以通过ＳＤＯ对从站的通信参数和伺服参 数进行配置。 （１）通信参数 通信参数主要是设置从站的ＰＤＯ映射参数和 ＰＤＯ通信参数。ＰＤＯ映射参数配置如表３所示。 上述ＰＤＯ的映射参数均使用ＺＬＧＣＡＮＰｒｏ软件通 过ＳＤＯ进行配置，在配置时要注意以下两点： （ａ）在进行ＳＤＯ配置时，需先进行实体对象配
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器的型号为山洋ＲＳＩＡ０１ＡＬ，该伺服放大器集伺服驱 动器和单轴运动控制卡为一体；所选用的伺服马达型 号为山洋Ｒ２ＡＡ０６０１０ＦＣＰ００，该伺服马达搭载１７ ｂｉｔ 的编码器，可实现高分辨率的控制。
３ ＣＡＮｏｐｅｎ通信实现
ＣＡＮｏｐｅｎ的通信实现过程分为３个阶段：通信建 立阶段、参数配置阶段和周期运行阶段。下面以标准 定位模式为例介绍各阶段使用的对象，并分别对各阶 段进行说明。 ３．１通信建立阶段
ｍ
图３ ＳＤＯ消息格式 （３）ＰＤＯ（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｄａｔａ Ｏｂｊｅｃｔ）：过程数据对象， 用于传输实时数据。它的优先级比ＳＤＯ高，ＰＤＯ可以 用于数据的发送和接收，分为ＴＰＤＯ（Ｔｒａｎｓｍｉｔ—ＰＤＯ） 和ＲＰＤＯ（Ｒｅｃｉｖｅ—ＰＤＯ）。 传送的数据由用户通过ＳＤＯ对对象字典的操作 事先定义好，ＰＤＯ传送数据时根据事先定义的数据长 度进行传送。 （４）特殊功能对象：同步、应急指示和时间标识 对象。 ２ 系统概述 基于ＣＡＮｏｐｅｎ协议的山洋ＣＡＮｏｐｅｎ用单轴驱动系 统由四部分组成：主站（上位机及上位机端的ＣＡＮｏｐｅｎ控 制软件）、ＵＳＢ转ＣＡＮ模块、ＣＡＮｏｐｅｎ用单轴伺服放大器 和伺服马达，该系统的连接示意图如图４所示。
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基于ＣＡＮｏｐｅｎ协议的工业机器人用轴伺服 驱动系统的控制实现
常晓明１，段晋军１，孙斌２，刘卫玲２ （１．太原理工大学计算机科学与技术学院，山西太原０３００２４；
２．太原理工大学物理与光电工程学院，山西太原０３００２４）
Hale Waihona Puke 摘要：ＣＡＮｏｐｅｎ是一种开放的现场总线协议，已广泛应用于嵌入式工业控制网络中。文章以工业机器人用山洋Ｒ系列一ＣＡＮ－ ｏｐｅｎ单轴伺服驱动系统为对象，介绍了ＣＡＮｏｐｅｎ协议的通信机制，以标准定位模式为例，研究了实时伺服驱动和运动控制设备子 协议ＤＳＰ４０２的开发方法。
伺服驱动系统是工业机器人的核心部分，它决定
了工业机器人的性能和可靠性。本文以遵循ＤＳＰ４０２ 子协议的山洋ＣＡＮｏｐｅｎ用单轴伺服驱动系统为研究 对象，研究基于ＣＡＮｏｐｅｎ协议的单轴伺服驱动系统的 控制实现。
１ ＣＡＮｏｐｅｎ协议简介
ＣＡＮｏｐｅｎ协议是以ＣＡＮ芯置为硬件依托，有效利 用ＣＡＮ芯片所规定的底层标准去实现工业控制局域 网的应用层协议要求。
置，然后在进行映射对象个数配置；
图７发送“Ｓｔａｒｔ Ｒｅｍｏｔｅ Ｎｏｄｅ”命令
（２）进行驱动器电源使能和伺服上电：主站通过 ＲＰＤ０１发送“Ｅｎａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ，Ｓｗｉｔｃｈ ｏｎ”命令，即将控 制字对象６０４０ｈ的值设为０ｘ０００６，如图８所示。
（３）使驱动器进入标准定位状态：主站通过ＲＰ— Ｄ０１发送“Ｅｎａｂｌｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ”命令，即将控制字对象 ６０４０ｈ的值设为０ｘ０００Ｆ。
从站设备上电后自动进行初始化，初始化完成后， 通过ＮＭＴ对象自动发送“启动成功（ｂｏｏｔｕｐ）”信息至 主站，此后从站进入预运行（Ｐｒｅ·ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ）状态，如 图５所示。
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