基于CANopen协议绝对值光电编码器的伺服位置控制的研究

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CAN总线具有传输距离远 ，实时性和可靠性高、硬件成本低等优点， CANopen是-个开放的、标准化的应用层协议，它为可编程系统以及不同器件、接 口、应用子协议定义了大量的行规，遵循这些行规开发的 CANopen设备能够实现不同公司产品间的互操作u。 。

本文采用 CANopen通讯协议完成数字信号处理系统与绝对值光电编码器之间的CAN总线通讯，实现电液位置精准伺服控制。测试实验表明信息传递可靠及时，能保证电液伺服控制系统对位置控制的快速性、准确性和实时性。

1 绝对值光电编码器绝对值光电编码器是直接输出数字量的传感器，它是利用 自然二进制或循环二进制 格雷码方式进行光电转换的，特点是不要计数器，在转轴的每-位置提供--对应的精确数字编码值，机械位置决定了每个位置的唯-性。因其每- 个位置绝对唯-、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。

1.1编码器选型本系统选用的德国倍加福的绝对值编码器，主要产品特性：1分 辨 率 ： 单 圈 1 3位 8 1 9 2步 ，多 圈 1 2位 4 0 9 6圈 ， 即2 5位 总 分 辨 率22533554432 。

2输出接口：采用基于can总线的CANopen接口输出，支持CANopen所有通用功能。

4可编程功能：支持计算方式选择，单圈分辨率缩放，总分辨率缩放，零预制功能，极限位置开关设定。

编码器通过CAN总线 CANopen协议和控制系统相连接，设备的节点地址及波特率，通过接线盒内的BCD码旋转开关来设置。

1.2编码器CANopen协议CANopen协议以 CAN芯片为硬件基础，有效利用 CAN芯片所提供的简单通信功能区实现工业控制网络的复杂应用层协议要求p。CANopen通信协议接口用于提供在总线上收发通信对象的服务，不同CANopen设备间的通信都是通过交换通信对象来完成的。CANopen协议中定义了4种通信对象通信模式，用于对不同作用的信息进行处理：NMT对象网络管理对象、SDO对象服务数据对象、PDO对象过程数据对象、特殊功能对象。

SDO报文格式如下所示：收稿日期：2018-07-12作者简介：栾海英 1976-，女，河北唐山人，工程师，博士，主要从事液压伺服控制等方面的研究工作。

第35卷 第9期 2013-09下 1511 l 匐 化COB.D 命令 对象索引 子索引 服务/过程 数据1l位 字节0 til l字节2 字节3 字节4字节5 字节6l字节7低位l高位 低位l AE l AE l高位COB-D确定-个唯-的通讯对象。它是由-个确定通讯优先级的功能码以及-个确定编码器的节点地址组成。COB-D组成如下所示：10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0功能码 节点地址X X X X X X X X X X X倍加福绝对值编码器在正确接线并上电后4s内可以访问CAN网络，参数的设置必须在编码器的预运行状态下进行，因为该状态下的网络负荷较低，服务数据对象 SDO的准确收发能够得到有效的保证 。编码器的指令报文要符合CANopen接口协议的相关规定。

绝对值编码器在收到-个重启指令后将处于预运行状态。编码器重启指令报文如下所示：操作l COB-D 命令字节l节点地址lNMT l 字节0 l 字节1 l字节2-字节71 000 l 0X81 X xO：重启所有节点；x节点地址，重启指定节点，本文设为0X02。

绝对值编码器在执行运行指令后，启动指定节点地址，使编码器处于运行状态，运行命令报文如下所示：操作l COB-D 命令字节 节点地址iNMT l t'io 字节l 字节2-字节71 000 l 01 X 不 ：X为节点地址，本文设为0X02。

绝对值编码器设置的位置数据报文如下所不 ：X为编码器位置数据。

绝对值编码器设置的速度数据报文如下所X为编码器速度数据。

2 控制系统软件实现该位置伺服控制系统，将数控板卡插入工控1521 第35卷 第9期 2013-09下机插槽，实现多路伺服数据的采集与控制。数控板卡eDSP控制器接收到控制指令，驱动伺服马达运动，马达带动卷筒旋转，光电编码器安装在卷筒轴上，读取当前位置和速度，从而完成系统的精确定位控制。板卡硬件原理图如图1所示。

图1 控制系统板卡硬件原理图板卡采用T公司的TMS32OC6713为DSP处理器，通过SJA1000芯片，实现板块拈与绝对光电编码器的CAN数据传输与通信。限位开关接到DSP的10口上，当运动到限位开关处时，就会触发DSP的10口电平，然后DSP就可以根据/O判定是哪个限位开关超过工作范围，进而做出相应的控制决策∝制指令及状态监控通过AD、DA接口连接伺服阀，控制马达和卷筒运动。

2.1编码器通信程序为了得到精准的位置，首先采用-个零点开关，系统通过该开关时触发该O口电平，编码器记录其数值大小，该数值作为系统运动的参考零点，以后读出的所有位置都以该位置为参考，实现位置的准确定位。同时设置前后限位开关，当编码器读到的位置数值超出该阈值范围后，系统停止运动，实现运动保护。

控制软件首先要完成板卡和编码器参数的初始化设置，编码器采用周期模式，定时向控制系统发送实时位置和速度信息。然后进入软件大循环，读取当前编码器位置和速度信息并进行相应的数字滤波，然后读取限位开关状态，确定当前软件的模式，控制算法完成伺服阀的位置精确控制，最后对系统故障做监控和处理∝制系统软件流程如图2所示。

2.2编码器初始化程序编码器在工作前首先要进行正确的初始化设置，其初始化流程图如图3所示。首先编码器在收到重启指令后进入预运行状态，然后按照编码器参数设置报文分别设定编码器的单圈分辨率和总分辨率，设定值必须在合理的范围内。在位置伺 1 匐 似图2 控制软件流程 图服控制系统中要求实时控制当前位置，因此设置编码器的传输模式为周期模式。在周期模式下，不需要主机发送指令，编码器循环传送当前实际值，循环时间可以在1-65536ms之间通过编程设定。设置成功后启动编码器周期模式，最后启动编码器正常运行。

3 通信实验结果控制系统实验测试时，通过CAN通信USB模块及相关软件来监测CAN报文的发送与接收过程是否顺利进行 ，从而判断编码器的CAN总线的通讯情况。首先连接CAN通信USB拈与工控机上的位置编码器CAN输出端，然后打开usb-can tool软件，启动设备，选择通讯端口为CAN通道2，设置通讯波特率800k，设置信息帧格式和传输数据的格式等参数 ，即可进行通讯 。图4为编码器在运行过程中实时接收到的位置数据和速度数据。其中编码器实际收到的位置数据D号为 编码器重启 lll设置编码器单圈分辨率j 设置编码器总分辨率l打开编码器周期模式l启动编码器周期模式l启动编码器图3 编码器初始化流程 图01820X180地址0X02，速度数据D号为02820X280地址0X02，如图4所示，不论协议的执行准确度还是定时发送等功能的实现，编码器Can通讯都能完全按照设定执行，从而保证控制系统能实时得到准确的当前位置速度等信息，为伺服位置精确控制提供基础数据。

瀑 ；兰 薹囊 鍪墓㈡； ：要 i量 蚕毒 曩蚕姜 篓 茎量 囊囊㈡ ： - ” ”图4 CAN通信USB拈监控结果4 结论本文采用基于CANOPEN协议的绝对值光电编码器，设计了数控电液伺服位置控制系统，实现当前控制对象的位置和速度的精准获韧控制。

通过实验研究表明，该系统位置、速度定位准确，CAN通信稳定，提高了数控的精度和效率，实现了高可靠性和高柔性的数控液压系统。