CANOpen总线与运动控制.pptx

1、CANOpen与运动控制 CANOpen and Motion Control 微信公众号；自动化电气系统 公众号ID; zidonghuadianqi QQ群；60886850 机器人运动控制 CAN总线 CANOpen协议 应用案例剖析 机器人运动控制 CAN总线 CANOpen协议 应用案例剖析 机器人运动控制 机器人运动控制结构 动机动机：通过人工添加器件人工添加器件，改善系统不佳的特性。系统不佳的特性。 结构结构：嵌套反馈环路嵌套反馈环路是机器人的典型控制架构。 级别1：改善驱动器特性 级别2：改善机器人特性 级别3：改善人的特性 分类分类：点到点控制点到点控制(point to p

2、oint control)与跟踪控制跟踪控制 （tracking control）。 嵌套结构 反馈环路结构 机器人运动控制 级别1：伺服驱动 目标目标：改造电动机特性电动机特性，完成跟踪、抗扰跟踪、抗扰控制。 级别1：电流控制 级别2：速度控制 + + Electrical dynamicsMechanicaldynamicsconverter 1 R 1 es +1 Kt 1 J 1 s V Tl 1/ Ke 1/ Ke (es +1)(ms +1) ms +1 控制响应 G(s) = 扰动响应 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 级别3：位置控制 例子例子：电机速度

3、控制，改造电动机抗扰动特性电动机抗扰动特性。 方法方法：通过添加积分积分、增大比例比例，提高开环增益。 Ke 电机动力学 速度响应 (s) = G(s)V(s)+ D(s)Tl (s) 特性特性：独立关节运动控制独立关节运动控制（经典实践结构）高刚度系统高刚度系统。 机器人运动控制 级别2：机器人控制：从驱动空间到关节空间 目标目标：改造传动系统特性传动系统特性，完成关节跟踪控制关节跟踪控制。 问题1：间隙 问题2：摩擦（摩擦补偿） 问题3：柔性（谐振与抗谐振滤波器） 尝试1：去除传动链尝试2：采用低间隙、摩擦传动 应用：力矩可控机器人力矩可控机器人 单关节力矩可精确控制 完成动力控制动力控制

4、，例如PD控制。 尝试3：采用反馈控制补偿 微信公众号；自动化电气系统 公众号ID; zidonghuadianqi QQ群；60886850 机器人运动控制 级别2：机器人控制：从关节空间到操作空间 目标目标：改造机器人特性机器人特性，完成力力/位控制位控制、阻抗控制阻抗控制。 问题问题：复现人的肢体复现人的肢体。自然臂应当是“松软的（Gloppy）” 或者“似弹簧的（Springy）”，可以像人的胳膊那样对 其他物体的压力做出响应，也即具有可变的力。 MIT波士顿肘 方法方法：Hogan提出设计一个具有与自然肢体一样的阻尼、刚度和质量的波士顿肘。 机器人运动控制 级别3：人在环控制 目标目

5、标：改善人的运动特性人的运动特性，完成人体运动功能的修复与增强运动功能的修复与增强。 形式形式：利用机械-电子工程，改造人类。 神经假肢神经假肢：接入神经的肢体替代机器人 外骨骼机器人外骨骼机器人：接入神经的肢体辅助机器人 运动功能重建 （JHU模块化假肢） 运动功能修复 （ARMin康复外骨骼） 运动功能增强 （Harvard软体外骨骼） 机器人运动控制 级别3：JHU神经假肢MPL 神经假肢神经假肢：通过采集采集与刺激神经系统刺激神经系统，恢复控制控制与感知能力感知能力。 MPL结构结构：4层嵌套。MPL的控制算法采用四级结构，从内到外依次为: 换相控制环、电机控制环、单关节/连杆控制环I

6、JL以及神经控制环。 人作为控制环路中的一部分 2013 The Lancet Collinger 难点难点：解读人体神经信号。 机器人运动控制 级别3：人在环优化 目标：目标：使用外骨骼，寻找使人体行走代谢消耗最小的力矩曲线使人体行走代谢消耗最小的力矩曲线。 问题问题2：如何获取最优控制？ 2017 SCIENCE J.J. Zhang（卡内基梅陇） 问题问题1：仿生是最优的设计么？ 2017 SCIENCE G. Lee（哈佛大学） HUST假肢臂手臂手控制架构 机器人运动控制 CANOpen的应用 目标目标：如何通过CAN总线协调多关节，完成给定任务？ 为何采用为何采用CAN？CAN总线

7、具有高速、远距、抗干扰能力强，且电气连接简单的巨大优势。 CAN总线 机器人运动控制 CAN总线 CANOpen协议 应用案例剖析 CAN总线 CAN总线概述 现场总线（现场总线（Field Bus）：来自OSI网络模型观点的现场总线现场总线网络 通常只实现了第一层（物理层）第一层（物理层）、第二层（数据链路层）第二层（数据链路层）和第七第七 层（应用层）层（应用层）。 CAN（Controller Aera Network）现场总线只定义了第一层第一层和 第二层第二层（ISO11898）。CANopen是CAN的应用层协议应用层协议，就是规定 了CAN通信的识别码识别码和数据域数据域定义。

8、CAN是一种用于实时控制（实时控制（Real Time Control）的双线差分串双线差分串 行通信协议行通信协议（Two-wire Differential Serial Communication Protocol）。 现场总线（Field Bus）网络 CAN总线 CAN总线物理层：电缆与通信速率 Copley驱动器的CAN总线硬件结构 机械与电气特性： 双绞线：抗干扰 地线：地线互联，并连接到大地。 端接电阻：120欧姆。 差分电压定义 折中：电缆长度和通信速度的限制 CAN总线 CAN总线数据链路层 帧起始（Start of Frame，SOF）位：它是一个单显性的帧起始位，标志了

9、消息的开始，用于在空闲之后同步总 线上的结点。 仲裁域（Arbitration Field）：包括两部分，11位的识别符（位的识别符（Identifier）和1位的远程传输请求（Remote Transmission Request，RTR）。 控制域（Control Field）：包括两部分，2位的保留位（Reserved Bits）和4位的数据长度代码位（位的数据长度代码位（Data Length Code bits，DLC）。保留位设计为2位，r0和r1。数据长度代码设计为4位，包含被传输的数据的字节数。 标准CAN： 标准帧格式 CAN总线 CAN总线数据链路层 数据域（数据域（Dat

10、a Field）：根据数据带出代码位，数据域最高可达最高可达8个字节个字节，即64位。 CRC域（Check Bits，CRC）：设计为16位，循环冗余检测位（Cyclic Redundancy Check，CRC）包 含检查和（发送的位数）。 应答域（Acknowledge，ACK）：共有2位，包含ACK槽和ACK界定符。 帧终止位（End of Frame，EOF）：共7个位，每个数据帧由一个包含7个隐形位的标志序列界定。 帧间空间（Interframe Space，IFS）：7位的帧间空间包含控制器将一个正确接受的帧移动到消息 缓冲区合适位置所需的时间。 标准帧格式 CANOpen协议

11、机器人运动控制 CAN总线 CANOpen协议 应用案例剖析 CANOpen协议 CANOpen协议基础 CANOpen的动机的动机：CAN（Controller Aera Network）现场总线只定义了第一层和第二层（ISO11898）。 需要高级协议来定义如何使用CAN消息帧的11位识别码位识别码和8个数据字节个数据字节。 创造基于CAN的能够保证不同厂商设备的互操作性和可交换性工业自动化系统需要一个标准的应用层和规 范，以标准化通信系统、设备功能和系统管理。 CANopen应用层中常用的3种通信对象种通信对象：网络管理对象网络管理对象（Network Management Object

12、）、服务数据对象服务数据对象 （Service Description Object，SDO）、过程数据对象过程数据对象（Process Data Object，PDO）。 NMT用于驱动器的管理驱动器的管理。 SDO用于参数配置参数配置。 PDO用于实时通信实时通信。 息息（Reading Device Status Information）。 CANOpen协 CANOpen基础：对象字典 每个设备定义了一组可写的参数和可读的状态，这些参数和 状态值被统称作设备对象（设备对象（Device Object）。由设备定义的 对象的整个集合被称为设备对象字典（对象字典（Object Dictio

13、nary）。 注注1：控制CANopen网络上设备的主要方法就是通过写设备写设备 参数参数（Writing to Device Parameters）和读设备状态信读设备状态信 注注2：对象字典是一个查找表（查找表（Lookup Table）。每个对象通过一个16位索引位索引和8位子索引位子索引识别。比如，电机数 据（Motor Data）对象（索引0 x2383）具有24个子索引对象，它们定义了基本的电机特性，比如电机类型 （Motor Type）、电机绕组结构（Motor Wiring Configuration）和霍尔传感器类型（Hall Sensor Type）。 Lei He 6/1

14、0/2018 睿慕课机器人系列公开课 基于对象字典的驱动器控制 CANOpen协议 CANOpen基础 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 CANopen Profile for Drives and Motion Control（DS 402）依据带有运行模式运行模式 （ Operating Mode ） 和 状状 态态 机机 （ State Machine）两个主要子元素的控制功能模块描 述了放大器的控制放大器的控制。 控制字对象控制字对象（Control Word Object，索引0 x6040）管理设备结点与状态改变。 状态字对象状态字对象（Status Wor

15、d Object，索引0 x6041）识别放大器当前状态。 运行模式对象运行模式对象（Mode of Operation Object，索引0 x6060）设置放大器运行模式。 驱动器控制模式 （占用2个CAN识别码）、1个紧急对象和1个结点错误控制 识别码。 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 功能代码（functional code） CANOpen协议 CANOpen基础：如何进行ID分配？ 分配方案是基于将11位的CAN识别码分为4位的功能代码位的功能代码部 分和7位的结点识别码位的结点识别码部分 CAN识别码的定义 结点结点ID由设计者定义由设计者定义，比如通过

16、设置设备上的DIP开关。结 点ID必须在1到127范围内。 预定义连接集预定义连接集定义了4个接收PDO、4个发送PDO、1个SDO CANOpen协议 通信方式：NMT 在NMT中，有一个结点（比如PC）被指定为网络管理器网络管理器 （Network Manager），网络管理器运行发送所有的NMT消息的 软件。 每个CANopen设备实现了一个简单的状态机状态机（State Machine）。 主/从机通信模型 状态机定义了三种状态，分别为预运行（Preoperational）、 运行（Operational）和停止（Stopped）。网络管理器应用使网络管理器应用使 用用NMT消息与状态

17、机交互并控制状态变化消息与状态机交互并控制状态变化。 驱动器状态机 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 CANOpen协议 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 NMT服务的CAN消息，第一字节CS为命令字命令字（Command Specifier）， 第二个字节是结点结点ID，或者零（寻址所有的结点）。NMT消息的 COBID为为0。 通信方式：NMT消息格式 当初始化完毕时，NMT从设备发送启动消息启动消息（Boot-up Message） 给NMT主设备以指出它已经从状态初始化进入预操作状态。 NMT消息格式 启动消息 客户端/服务器通信模型 S

18、DO协议使用了两个两个CAN消息识别码消息识别码。一个ID用于从CANopen主设备（SDO客户）到放大器（SDO服务器） 的消息。 另一个ID用于从设备（SDO客户）到主设备（SDO服务器）的消息。这两个消息的CAN消息ID数是CANopen协 议定 的。 CANOpen协议 通信方式：SDO 服务数据对象（服务数据对象（SDO）用于访问设备的对象字典访问设备的对象字典。对象字典 的请求者被称为客户（客户（Client），），对象字典被访问的 CANopen设备被称为服务器（服务器（Server）。 每个放大器都提供了一个SDO。CANopen主设备可以使用这个 SDO通过读写对象词典来配置

19、、监视和控制设备读写对象词典来配置、监视和控制设备。 CANOpen协议 通信方式：SDO消息格式 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 SDO传输有3种机制：快速传输（Expedited Transfer）、段传输（Segmented Transfer）和块传 输（Block Transfer）。由于Copley驱动器仅支持快速传输，故这里详细探讨快速传输。快速传输。 ID：对于快速SDO，客户端到服务器的COBID为0 x600+NodeID，服务器到客户端的COBID为 0 x580+NodeID。 数据域数据域：SDO命令字命令字（SDO Command Speci

20、fier）、对象索引对象索引（Object Index）、对象子索引对象子索引（Object Subindex）与高达高达4字节的数据字节字节的数据字节（Data Bytes）构成。 SDO消息格式 数据字节数命令字 10 x4F 20 x4B 30 x47 40 x43 数据字节数命令字 10 x2F 20 x2B 30 x27 40 x23 CANOpen协议 通信方式：SDO消息格式 SDO命令字用于指定读写数据字典，以及数据的长度。下载（下载（Download）的意思是写数据字典，上传上传 （Upload）的意思是读数据词典。 对于域下载，SDO命令字语法 对于域上传，命令字语法 Le

21、i He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 映射对象映射对象。 PDO的通信对象（通信对象（Communication Obejct）定义了PDO的CAN消息ID（CAN Message ID）和它的通信类型 （Communication Type），即同步的（Synchronous）或者异步的（Asynchronous），以及触发类型 （Triggering Type），即事件驱动的（Event-drive）或者周期的（Cyclic）。 PDO的映射对象（映射对象（Mapping Object）将PDO消息中的每一个数据字节（Data Byte）映射到设备对象字典中 的一个对象（O

22、bject）。 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 CANOpen协议 PDO：过程描述对象 PDO用于传递实时数据传递实时数据。数据是从一个（只能是一个）生产者生产者传 递到1个或者多个消费者个或者多个消费者。数据传递被限制到1到到8个字节个字节。 设备对象词典中的两个对象定义了一个PDO，即PDO的通信对象通信对象和 生产者、消费者模型 数（索引0 x16000 x1607），发送PDO通信参数（0 x18000 x1807）和发送PDO映射参 PDO映射 数（索引0 x1A000 x1A07）。 其中，PDO通信参数对象用于配置配置PDO的通信参数的通信参数，比如P

23、DO COB-ID（子索引1）、PDO类型类型（子索引2）； PDO映射参数对象用于指定映射对象数指定映射对象数（子索引0）和映射映射（子索引14）。 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 CANOpen协议 PDO映射 相对SDO，加速的措施： 不返回信息不返回信息。 节省数据位节省数据位：在数据中去除无关信息。 PDO映射就是配置PDO的通信和映射参数通信和映射参数，这里需要使用SDO完成。 每个放大器提供了8个发送发送PDO和8个接收接收PDO。发送PDO用于获取驱动器状态获取驱动器状态。接 收PDO用于控制驱动器控制驱动器。接收PDO通信参数（索引0 x14000

24、x1407），接收PDO映射参 CANOpen协议 PDO映射的详细流程 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 1. 禁止禁止PDO（Disable the PDO）：在PDO的映射对象中（接收PDO映射参数，索引0 x1601），设置子索引0（映 射对象数）为零来禁止PDO。 2. 设置通信参数（设置通信参数（Set the Communication）：如果有必要，使用PDO的接收PDO通信参数（索引0 x1401）的子索 引1来设置PDO的CAN消息ID。在对象0 x1401的子索引2中选择PDO的传输类型（PDO类型），即一个在范围0240（同 步）或者254255

25、（异步）的值。 3. 映射数据（映射数据（Map the Data）：通过使用PDO的映射参数（接收PDO映射参数0 x1601的子索引14），设计者可以 映射高达4个对象，如下：在映射值的07位，输入要映射的对象的尺寸（Size of the Object），正如对象词典 中所指定的。在815位，输入要映射的对象的子索引（Subindex of the object）；如果对象是一个简单的变量， 清除815位；在1631位，输入要映射的对象的索引（Index of the Object）。 4. 设置映射对象数并启用设置映射对象数并启用PDO（Set the number of Mapped

26、 Objects and enable the PDO）：在PDO的接收 PDO映射参数中，设置子索引0（映射对象数）为实际的映射对象数（Number of objects）。这恰当地配置了PDO。 同时，映射对象数对象中的非零值启用了PDO。 CANOpen协议 PDO消息格式 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 PDO没有固定的消息格式没有固定的消息格式，具体的格式和映射参数配置映射参数配置有关。 Copley驱动器的映射PDO对象的索引为0 x1A000 x1A07，由于为第2个，故索引为0 x1A01。子索引0，表示映射到 此TPDO的对象个数，这里为2。其中第一

27、个为索引为0 x6000、子索引为0 x02的对象，共8位；第二个为索引为 0 x6401、子索引为0 x01的对象，共16位。两个对象一共24位，即3个字节。TPDO的COBID为0 x280+NodeID，数据 字节依次为8位和16位的对象。 微信公众号；自动化电气系统 公众号ID; zidonghuadianqi QQ群；60886850 案例分析 机器人运动控制 CAN总线 CANOpen协议 应用案例剖析 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 基于Copley驱动器的CANOpen网络 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 案例分析 体系结构

28、目标目标：完成机器人臂轨迹跟踪。轨迹跟踪。 方法：方法：基于Copley驱动器和TI嵌入式微控制器的 CANOpen网络。 运行模式：插值位置模式（运行模式：插值位置模式（Interpolated Position Mode） 用于控制需要设定点数据时间插值的多协调轴或者单轴多协调轴或者单轴。在 插值位置模式中，轨迹是由CANopen主设备计算主设备计算的，并发 送到放大器的插值位置缓冲器（插值位置缓冲器（Interpolated Position Buffer）中作为点集。放大器从缓冲器中读取点并完成线性线性 或者三次插值或者三次插值。 微信公众号；自动化电气系统 公众号ID; zidong

29、huadianqi QQ群；60886850 实现CANOpen的基本硬件支持 案例分析 CAN通信整体设计 需要控制器控制器和伺服驱动器伺服驱动器的硬件支持硬件支持 物理层物理层：微控制器外部，电路板级器件：收 发器、连接器、电缆、终端电阻 数据链路层数据链路层：微控制器内置CAN控制器 应用层应用层：软件设计 微信公众号；自动化电气系统 公众号ID; zidonghuadianqi QQ群；60886850 步、归位模式。 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 案例分析 Copley伺服驱动器硬件 Copley Control的一些放大器，包括Accelnet， Ste

30、pnet，Xenus和Ruggedized R-Series通过支持CAN和 CANopen网络规范提供了分布式运动控制（分布式运动控制（Distributed Motion Control）。 Accelnet伺服驱动模块 控制器： DSP56F807 CAN收发器： TJA1050 支持：轮廓、插值、同 功率板接口控制板接口 伺服驱动接口 微信公众号；自动化电气系统 公众号ID; zidonghuadianqi QQ群；60886850 案例分析 德州仪器TMS320F28335微控制器硬件 基于TI的控制器电路设计 物理层支持：CAN收发器、端接电阻与双绞线。 数据链路层支持：CAN控制

31、器 TI对CAN通信的支持 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 通信速率：1 Mbps 帧类型帧ID数据长度数据 标准帧0 x600+NodeID0 x052F60600007 案例分析 控制器与驱动器间通信 配置运行模式配置运行模式 伺服驱动器工作在位置插值模式位置插值模式，固有： 发送SDO，ID为0 x600+结点ID 运行模式对象（索引0 x6060） 对象为一字节（integer 8），数据共有 5字节。 模式7表示插值位置模式。 发送消息格式： 操作模式对象字典 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 帧类型帧ID数据长 度 数据 标准帧0

32、x600+Nod eID 0 x082301140102020080 案例分析 控制器与驱动器间通信 PDO映射映射 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 禁用PDO。主要是设置接收PDO映射参数对象 （索引0 x1401）中的子索引1，设置31位为1 就禁用了PDO； 发送消息格式： 帧类型帧ID数据长 度 数据 标准帧0 x600+Nod eID 0 x052F011402FF 案例分析 控制器与驱动器间通信 PDO映射映射 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 设置通信参数。主要是设置接收PDO映射参数 对象（索引0 x1401）中的子索引2：PD

33、O类型。 通信类型通过索引0 x1401的子索引2设置为异 步。 发送消息格式： 帧类型帧ID数据长度数据 标准帧0 x600+Nod eID 0 x082301160140001020 案例分析 控制器与驱动器间通信 PDO映射映射 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 映射IP运动命令对象（索引0 x1601，子索引1）。 发送消息格式： 微信公众号；自动化电气系统 公众号ID; zidonghuadianqi QQ群；60886850 帧类型帧ID数据长 度 数据 标准帧0 x600+Nod eID 0 x082301160220004060 案例分析 控制器与驱动器

34、间通信 PDO映射映射 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 映射控制字（索引0 x1601，子索引2。 发送消息格式： 微信公众号；自动化电气系统 公众号ID; zidonghuadianqi QQ群；60886850 帧类型帧ID数据长 度 数据 标准帧0 x600+Nod eID 0 x052F01160002 帧类型帧ID数据长 度 数据 标准帧0 x600+Nod eID 0 x082301140101030000 案例分析 控制器与驱动器间通信 PDO映射映射 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 设置映射对象数。这里共映射了2个对象，因 此

35、发送消息 启用PDO。 微信公众号；自动化电气系统 公众号ID; zidonghuadianqi QQ群；60886850 帧类型帧ID数据长 度 数据 标准帧0 x600+Nod eID 0 x054012200000 帧类型帧ID 数 据 长 数据 度 标准帧0 x580+Nod0 x0843 12 20 00 00 00 20 80 e ID 即获得数据0 x 80 20 00 00。第31位为1说明缓冲器是空的；第2730位保留，故数据没有意义；第2426位是 0 x00，表示没有错误；第1623位是0 x20，表示IP缓冲器中有32个自由位置，和空是相同的意思；第015位 为下一个I

36、P运动段的段标识符，这里为0。 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 案例分析 控制器与驱动器间通信 读取缓冲器状态读取缓冲器状态 发送命令： 接收命令： 帧类型帧ID数据长度数据 标准帧0 x200+NodeID0 x0800C8000000000000 案例分析 控制器与驱动器间通信 发送发送PVT段数据段数据 Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 发送PVT段数据P：0；V：0；T：200ms，则发送消息 其中，头字节为0 x00，时间为0 xC8，位置为0 x00 00 00，速度为0 x00 00 00。 字节1包含一个8位时间间隔位时间间隔，

37、为到下一个PVT 段开始的时间（单位为毫秒）。 字节24包含一个24位的绝对位置位的绝对位置（单位为 计数），这是轮廓段的起始位置； 字节57包含一个24位的速度位的速度（单位为0.1计 数/秒）。 参考文献 CANOpen参考文献 Copley Control.Accelnet Micro Module Datasheet Copley Control. CME2 User Guide Copley Control. CANopen Programmer Manual Copley Control.CANopen Network CAN Bus Cabling Guide Copley Co

38、ntrol. CAN Network Loading with Copley CANopen H. Boterenbrood. CANopen High Level Protocol for CAN Bus, 2005 Holger Zeltwanger著.现场总线CANopen设计与应用.北京航空航天大学出版社，2011 Olaf Pfeiffer,AndrewAyre, Christian Keydel. Embedded Networking with CAN and CANopen Application Layer and Communication Profile（CiA301） Device Profile Driver and Motion Control（CiA402） Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课 正运 感谢各位聆听 Thanks for Listening Lei He 6/10/2018 睿慕课机器人系列公开课