基于Canopen协议的运动控制系统设计

基于基于 Canopen 协议的运动控制系统设计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 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 关键词 CAN Canopen 运动控制 软件编程 中文分类号 文献标志码 中文分类号 文献标志码 文章编号 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 本文将以一种全自动半导体设 1 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 ED 伺服内部使用了一种严格定义的对象列表 被称 2 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 工控机 PCI插槽 Copley Can卡 CAN1 CAN0 Copley Amp Copley Amp Copley Amp Copley Amp Copley IO Copley IO Copley IO CANopen协议 节点1 节点2 节点3 节点n 节点n 1 终端电阻 120 MMMM BankA BankE BankA BankC BankA BankC 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 Vel 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 开始 开启IO板监控线程 监控部件 开启设备初始化线程 电机各轴并行复位 停止按钮按下 自动运行流程停止 程序关闭 所有线 程停止 打开CAN卡 初始化CanOpen协议 分配内存 初始化工艺参数 是 否故障报警 CAN 卡没有打开 蜂 鸣器响 红灯亮 设置电机参数成功 提示 打开出错电 机轴参数设置界 面 重新设置 是 否 各轴复位成功 故障报警 电机 轴复位错误 蜂 鸣器响 红灯亮 是 否 进入自动运行流程 并实时监测是否运行故障和 IO报警状态 是 否 给出提示或故障报 警 如果是严重故 障 自动停止运行 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