机器人开发--CanOpen

1 介绍

1.1 概述

CANopen是一种架构在控制局域网络（Controller Area Network, CAN）上的高层通信协议，包括通信子协议及设备子协议，常在嵌入式系统中使用，也是工业控制常用到的一种现场总线。
CANopen由非营利组织CiA（CAN in Automation）进行标准的起草及审核工作，基本的 CANopen 设备及通讯子协定定义在 CAN in Automation (CiA) draft standard 301中。针对个别设备的子协定以 CiA 301 为基础再进行扩充。如针对 I/O 模组的 CiA401 及针对运动控制的 CiA402。

1.2 应用

• 机器控制
• 工厂自动化
• 实验室自动化
• 交通运输
• 多功能车
• 楼宇自动化
• 医疗系统

2 历史发展

• 1994年:CiA发布了CANopen规范的第一个版本:CiA 301是最成功的Esprit研究项目之一。
• 1997年:CiA发布了用于驱动和运动控制的CiA 402 CANopen设备配置文件。该配置文件规范了伺服驱动器、变频器和步进电机控制器的功能行为。介绍了几种操作模式及相应的配置参数。
• 2001年:CiA 304 (CANopen Safety)规范发布，同时在EN 50325-5中标准化。
• 2003年:CiA 417 (CANopen电梯控制系统应用概要)规范系列发布。它也称为CANopen Lift，为不同的虚拟设备指定通信接口。
• 2009年:CiA组织了第一届CANopen Lift插件大赛。这些事件的目的是检查和提高CANopen设备的互操作性。
• 2017年:CiA 1301 (CANopen FD应用层和通信配置文件)规范公布。CANopen FD利用CAN FD数据链路层提供更高的比特率和更大的有效负载(每帧高达64字节)。此外，CiA还发布了CiA 601 (CAN FD节点和系统设计)系列，包括规范、指南和建议。
• 2019年:为了改善CAN FD网络的使用，CiA开发了SIC(信号改善能力)收发器规范，该规范已记录在CiA 601-4规范中。
• 2020: CiA 510规范指定了sdo和EMCY等CANopen协议到J1939参数组(pg)的映射。结合将特定于概要文件的pdo映射到pg，这使得也可以在J1939应用层上使用CiA概要文件(CiA 4XX系列)。
• 2021年:另一个里程碑是CAN XL的发展，这是第三代CAN数据链路和物理层。揭示了CiA 610-1(数据链路层和物理编码子层要求)和CiA 610-3(物理介质附件子层要求)规范。CAN XL帧格式允许数据字段的长度从1字节到2 048字节。
• 2022年:6月初，中央情报局以为期两天的面对面会议的方式庆祝其30岁生日。该项目包括CiA技术小组(CAN XL和CAN FD Light)的最新CAN发展，从海事电子到牙医椅的应用，以及CiA规范的未来。
  

3 协议

3.1 协议细节（来自CiA文档）

地址：https://www.can-cia.org/groups/specifications/
基本的 CANopen 设备及通讯子协定定义在 CAN in Automation (CiA) draft standard 301中。针对个别设备的子协定以 CiA 301 为基础再进行扩充。如针对 I/O 模组的 CiA401 及针对运动控制的 CiA402。

• CiA 301 CANopen 应用层和通信配置文件 - 应用层和通信配置文件，日期：2011 年 2 月 21 日，版本：4.2.0
• CiA 402 驱动和动作控制设备配置文件 - 第 1 部分：一般性定义，日期：2007 年 12 月 14 日，版本：3.0.0
• CiA 402 驱动和动作控制设备配置文件 - 第 2 部分：操作模式和应用数据，日期：2007 年 12 月 14 日，版本：3.0
• CiA 402 驱动和动作控制设备配置文件 - 第 3 部分：PDO 映射，日期：2007 年 12 月 14 日，版本：3.0
• CiA 306 电子设备描述 - 第 1 部分：电子数据手册和设备配置文件，日期：2012 年 2 月 8 日，版本：1.3.5
• CiA 305 底层设置服务 (LSS) 和协议，日期：2013 年 5 月 8 日，版本：3.0.0

3.2 协议框架

OSI 模型

服务

COB-ID

NMT

NMT 服务可用于启动、开始、监控、重置或停止 CANopen 设备。
这样，控制器即可遵循下图所示的状态图。只有在打开后或通过发送“重置通信”或“重置节点”NMT 命令才能达到“初始化”状态。 初始化之后可自动激活“预操作”状态。

nmt 消息的 CAN-ID 为 0。消息长度始终为两字节，结构如下：

的值可为 00h；在这种情况下，NMT 命令适用于 CAN 总线（广播）上的所有设备。如果使用了非零数字，则只对具有相应节点 ID 的设备进行寻址。

SYNC

同步对象用于同时验证总线上所有设备的 PDO 数据的时间。同步消息的结构如下：

对于 SYNC 操作，通常为 RX-PDO 使用传输模式（传输类型）0（数据对下次 SYNC 有效）；对于 TX-PDO，则选择 1 到 240 的传输模式。
接收到 SYNC 消息后，会有一个判定时间（“同步判定时间”），在此时间范围内可以发送和接收 PDO 消息；达到此判定时间后，所有设备都必须停止发送 PDO。可在对象 1007h:00h 中设置“同步判定时长”（毫秒）。

• 典型 CAN-SYNC 操作分为四个阶段：
• 接收 SYNC 消息。从而将之前接收到的 RX-PDO 数据复制到对象目录（如有）中。此时，也会对数据进行采样，并将数据复制到 TX-PDO，同时启动这些消息的发送。
• 然后通过总线上的所有从站发送 TX-PDO。
• 随后，通过 CANopen 主站发送 PDO。达到“同步判定时长”后，不再允许发送 PDO。
• “同步判定时间”再次关闭后，SDO 消息可进行最新交换。
  

紧急事件对象 (EMCY)

只要控制器中发生不是由 SDO 访问引起的错误，就会发送“紧急事件”类型的消息。该服务未经确认，通过 CAN-ID 80h+节点 ID 发送。
紧急事件消息的结构如下：

服务数据对象 (SDO)

“服务数据对象”允许对对象目录进行读取或写入访问。
将对象目录的所有者称为“服务器”；将想要请求或写入数据 CAN 节点称为“客户端”。“上传”是指从对象目录读取对象的值；“下载”是指将值写入对象目录。

SDO 下载

用于向服务器的对象目录写入数据的加速 SDO 消息结构如下：

SDO 上传

用于从对象目录中读取对象的 CAN 消息的结构如下：

SDO 加速写传输报文

对于不高于 4 个字节的读写， 采用加速 SDO 传输。 按照读写方式及内容数据长度的不一致，传输报文各不相同。加速 SDO 写报文如下表：

过程数据对象PDO

过程数据对象 (PDO) 用来传输实时的数据，是 CANopen 中最主要的数据传输方式。由于 PDO 的传输不需要应答，且 PDO 的长度可以小于 8 个字节，因此传输速度快。
PDO 的映射配置遵循流程如下：




按照接收与发送的不同，PDO 可分为 RPDO 和 TPDO。 PDO 由通信参数和映射参数共同决定最终传输的方式及内容。 本伺服驱动器使用了 4 个 RPDO 和 4 个 TPDO 来实现 PDO 的传输，相关对象列表如下：

3.3 应用细节（伺服电机）

https://us.nanotec.com/products/manual/PD4E_CANopen_ZH/pd4e%2Fintroduction.html?cHash=d3b43174da641a1d53fca9c28d935948

通信（设置与连接）

• 设置节点和波特率
• 使用 CAN- 和 CAN+ 电缆将控制器连接到 CANopen 主站。检查 CAN-GND 的连接，根据实际调整终端电阻。
• 可以通过 6041 状态字来测试通信连接状态。

调试运行

• 确定编码器线数、倍频、减速比等参数
• 设置工作模式（6060）、速度参数（6042）、控制字（6040）等

控制模式

没有反馈的系统控制模式称为开环，有反馈的系统控制模式称为闭环。在闭环控制模式中，无论反馈信号来自电机本身还是来自受影响进程，最初都是无关紧要的。
对于有反馈的控制器，会不断地将测量的控制变量（实际值）与设置点（设置值）进行比较。如果这些值之间存在偏差，控制器将根据规定的控制参数重新调节。

除物理反馈系统（如通过编码器或霍尔传感器）以外，还使用基于模型的反馈系统，统称为无传感器系统。这两种反馈系统也可组合使用，从而进一步提高控制质量。

开环优化：
开环模式下可能会发生共振；在低负载时尤其容易受共振影响。实践经验表明，根据不同应用，多种措施均能够大幅减少共振：

• 降低或增大电流，请参见对象 2031h（最大电流）。过多的转矩储备会助长共振。
• 降低或增大工作电压，同时考虑产品特定范围（具有足够的转矩储备）。请参见产品数据表查看允许的工作电压范围。
• 通过对象 3210h:09h (I_P) 和 3210h:0Ah (I_I) 优化电流控制器的控制参数。
• 根据所选控制模式调整加速度、减速度和/或目标转速：

闭环：

CiA 402 电源状态机

在对象 6040h（控制字）中请求状态更改。
在对象 6041h（状态字）中查看状态机的实际状态。

相关参数

运动范围限制

数字输入可用作限位开关。控制器也支持软件限位开关。

限位开关后即是公差带的起点。在此公差带内可自由运动。可在对象 2056h 中设定公差带的长度。
如果电机进入禁止范围，则控制器将触发立即停止，并切换到故障状态。
软件限位开关
控制器会考虑软件限位开关（607Dh（软件位置限制））。通过 607Dh 限制目标位置 (607Ah)；要求位置 (6062h) 不得大于 607Dh 中的限值。如果设置限位开关时，电机处于允许范围以外，则仅接受允许范围方向的行程命令。

工作模式

标准定位工作模式

对象 6060h（操作模式）设定值“1”。
对象 6083h（标准加速度）、6084h（标准减速度）和 6081h（标准速度）。
标准定位模式用于移至最后目标位置的相对位置或绝对位置（最后参考位置）。在运动过程中，会考虑转速、启动加速度/制动减速度以及加加速的限值。

速度工作模式

对象 6048h（速度加速度）、6049h（速度减速度）和 6042h（目标速度）。

标准速度工作模式

对象 6083h（标准加速度）、6084h（标准减速度）和 6081h（标准速度）。

找零工作模式

对象 609Ah（找零加速度）、6099h:01h（搜索开关时的速度）和 6099h:02h（搜索零点时的速度）。

插补位置模式工作模式

可通过高级控制器影响加速和减速斜坡。

周期同步定位工作模式

可通过外部“定位规定/时间单位”目标影响加速和减速斜坡。

周期同步速度工作模式

可通过外部“定位规定/时间单位”目标影响加速和减速斜坡。

脉冲方向工作模式

通过对象 2057h（脉冲方向乘法器）和 2058h（脉冲方向除法器）更改步进分辨率。通过调整脉冲频率优化加速/减速斜坡，以尽快传递共振范围。

数字输入和输出

控制器的软件为各个对象中的输入和输出分配两个位（如 60FDh Digital Inputs 或 60FEh Digital Outputs）：

3.3 应用细节（IO）

3.4 对象目录说明

https://us.nanotec.com/products/manual/PD4E_CANopen_ZH/object_dictionary%2Fobject_dir_intro.html?cHash=d3b43174da641a1d53fca9c28d935948

CANOPEN使用心得1-cia301、cia402简单提要

4 组织

4.2 CANopen Solutions

https://www.canopensolutions.com/

4.3 nanotec 纳诺达克

https://us.nanotec.com/
https://us.nanotec.com/products/manual/PD4E_CANopen_ZH/pd4e%2Fintroduction.html?cHash=d3b43174da641a1d53fca9c28d935948

参考

1、官方–CANopen
2、百科–CANopen
3、CanOpen通信----PDO与SDO
4、CanOpen学习记录
5、CanOpenSolutions
6、nanotec–CANOPEN
7、20210714学习手记 CANopen 协议
8、学习CANopen — [5] SDO
9、OSI七层模型、CAN、CiA、CANopen、CiA301CiA402和EtherCAT介绍
10、CANOpen轻松入门—对象字典OD
11、CANOPEN使用心得1-cia301、cia402简单提要
12、CAN总线与CANOPEN协议入门
13、canopen报文格式，通信及映射参数
14、CANopen版本控制产品修改映射PDO对象方法
15、从CAN到CANOpen——准入门大全（三）