基于CANopen协议绝对值光电编码器的伺服位置控制的研究.pdf

l 匐 化 基于C A N open协议绝对值光电编码器的 伺服位置控制的研究 R e s e a rc h o n s e rv o p o s i ti o n c o n tro l s y s te m b a s e d o n C A N o p e n p ro to c o l a n d a b s o l u te p h o to e l e c t ri c e n c o d e r 栾海英 刘学君 LU A N H al yi ng Ll U X ue jun 1 北京机械工业自动化研究所 北京 100120 2 北京石油化工学院 北京 102617 摘要 为了提高伺服控制系统的反应时间和控制精度 本文设计了基于绝对值光电编码器的数字位置 控制系统 采用 C ANopen 通讯协议实现系统与绝对值光电编码器之间的CAN通讯 并通过 测试验证了信息传递的可靠性 保证了伺服控制系统对位置控制的准确性和实时性 关键词 伺服液压控制 CANopen协议 绝对值光电编码器 中圈分类号 T H1 37 文献标识码 A 文章编号 1 009 01 34 2Ol 3 1 0 上 一 01 51 03 D oi 1 0 3969 J i ssn 1 009 01 34 201 3 1 0 I 45 0引言 C A N 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 C A N open 是一个开 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 C A N open 设备能够实现 不 同公 司产品间的互操作u 本 文采用 C A N open 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C A N 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 在转轴的每一位置提供一一对应的精确数字编码 值 机械位置决定 了每个位置的唯一性 因其每 一 个位置绝对唯一 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 2 25 3 35544 32 2 输出接 口 采用基于can总线的C A N open 接 口输出 支持C A N open所有通用功能 3 数 据交换 模式 支 持轮询模 式 周期 模 式 同步模式 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C A N 总线 C A N open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B C D 码旋转开关来设 置 1 2 编码器C A N open协议 C A N open 协议以 C A N 芯片为硬件基础 有 效利用 C A N 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 C A N open 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C A N open设 备间的通信都是通过交换 通信对象来完成的 C A N open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 N M T 对象 网络管理对象 SD O 对象 服务数 据对象 PD O 对象 过程数据对象 特殊功能对 象 SD O 报文格式如下所示 收稿日期 20 18 07 12 作者简介 栾海英 1976 一 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 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 匐 化 C O B ID 命令 对象索引 子索引 服务 过程 数据 1l 位 字 节 0 ti l l 字 节 2 字 节 3 字 节 4 字 节 5 I字 节 6l 字 节 7 低 位l 高 位 低 位l AE l AE l 高 位 C O B ID 确定一个唯一的通讯对象 它是 由一 个确定通讯优先级的功 能码 以及一个确定编码器 的节点地址组成 C O B ID 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C A N 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 SD O 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 C A N open接口协议的相关规定 绝对值编码器在收到一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 ID I命令字节l 节点 地址 l NM T l I 字 节0 l 字节1 l 字节2一字节7 1 000 l 0X81 I X I x O 重启所有节点 x 节点地址 重启指 定节点 本文设为0X 02 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 ID I 命令字节 节点 地址 i NM T I l t i o 字 节l I字 节2一字节7 1 000 l 01 X I 不 X 为节点地址 本文设为0X 02 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e D SP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 I公司的T M S32OC 6713为D SP处理 器 通过SJA 1000芯片 实现板块模块与绝对光 电编码器 的C A N 数据传输与通信 限位开关接到 D SP 的10 口上 当运动到限位开关处时 就会触 发D SP 的10 口电平 然后D SP 就可以根据I 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 控制指令及状态监控通过A D D A 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 首先采用一个零点开 关 系统通过该开关时触发该IO 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 控制系统软 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 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 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 65536m s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C A N 通信U SB 模 块及 相关 软 件来 监测C A N 报 文 的发送 与接 收过 程 是否 顺利 进行 从 而判 断编码 器 的C A N 总线 的通讯 情况 首先连 接C A N 通 信U S B 模块 与工 控机上 的位 置编码器C A N 输 出端 然 后打开usb can tool 软件 启动设备 选择通讯端 口为C A N 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ID 号为 I 编 码 器 重 启 l l l 设 置 编 码 器 单 圈 分 辨 率 j I 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 0 182 0X 180 地址0X 02 速度数据ID 号为0282 0X 280 地址0X 02 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 C an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 要 i 量 蚕毒 曩蚕 姜 篓 茎量 囊囊 一 图4 C A N 通信U SB 模块监控 结果 4结论 本文采用基于C A N O PEN 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取和控制 通 过 实验研 究 表 明 该 系统 位置 速 度定位 准 确 C A N 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 参考文献 l A rm