一种基于CANopen的机械臂关节电机控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于CANopen的机械臂关节电机控制方法及系统，该方法包括以下几个步骤：步骤1：将各机械臂关节电机的驱动器连接于CAN总线上，CAN总线进入预操作状态；步骤2：基于PDO协议对电机进行PDO配置；步骤3：选择电机运行模式；步骤4：对关节运动轨迹采用高阶多项式插值得到控制量；步骤5：对电机发送控制指令，完成对机械臂关节电机的控制；该方法适用于所有CAN总线下支持CANopen协议的电机伺服控制系统，由于现场总线的引入，省去了大量的数据线和接口，使得系统调试和维护更加的简便。基于该方法的控制系统结构简单、易于实现，通过CAN网络对电机控制，实现了关节电机位置环和速度环控制。
【专利说明】-种基于CANopen的机械臂关节电机控制方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及伺服电机控制技术，特别涉及一种基于CANopen的机械臂关节电机控 制方法及系统。
【背景技术】
[0002] CAN是Controller Area Network的缩写，是ISO国际标准化的串行通信协议，广 泛应用于汽车产业。从ISO网络模型的角度来看同，CAN只定义物理层和数据链路层，没有 规定应用层，本身并不完整，需要一个高层协议来定义CAN报文中的11/29位标识符、8字节 数据的使用。CANopen协议是CAN-in-Automation (CiA)定义的标准之一，并且在发布后不 久就获得了广泛的承认，尤其是在欧洲，CANopen协议被认为是在基于CAN的工业系统中占 领导地位的标准。大多数重要的设备对象，例如数字和模拟的输入输出模块、驱动设备、操 作设备、控制器、可编程控制器或编码器，都在被称为"设备描述"的协议中进行描述。"设 备描述"定义了不同类型的标准设备及其相应的功能，依靠CANopen协议的支持，可以对不 同厂商的设备通过总线进行配置。
[0003] CiA Draft Standard 301 和 CiA Draft Standard Proposal 402 分别为 CANopen 协议中的通讯子协议和面向运动控制的设备子协议。CiA Draft Standard 301中主要是 对通讯对象的描述，CAN总线的管理和TOO的配置都要使用到其中的对象字典；CiA Draft Standard Proposal 402描述了运动控制设备对象，比如电机运动的转速、编码器位置值和 电机转矩等对象，这些对象以对象字典的形式存放，只要修改对象字典的值就可以实现对 电机的控制。
[0004] 然而，现有技术中机械臂的PTP运动控制复杂，因此如何基于CANopen协议实现对 机器人关节电机的控制，并且使得关节运动平滑、稳定，始终保持在关节运动容许的范围内 是有待解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明提出了一种基于CANopen的机械臂关节电机控制方法及系统，通过采用通 用于CANopen下的电机伺服控制方法，同时利用高阶多项式插值算法对关节轨迹插值得到 每个时间点关节角度、速度、加速度等控制量，确保机械臂关节连续、平稳、无抖动的运动。
[0006] 本发明采用如下技术方案：
[0007] -种基于CANopen的机械臂关节电机控制方法，包括以下几个步骤：
[0008] 步骤1 :将各机械臂关节电机的驱动器连接于CAN总线上，并对所有驱动器上电， CAN总线进入预操作状态；
[0009] 步骤2 :控制端通过CAN卡将电机控制量对应的对象字典映射到CAN总线上的每 个驱动器的PD0单元，基于PD0协议进行PD0配置，并将CAN总线设为可操作状态；
[0010] 所述电机控制量包括电机转速和电流，电机所在关节的目标位置、加速度、减速 度、位置反馈量及速度反馈量；
[0011] 步骤3 :按照控制需求，利用控制端从位置模式或速度模式中选择电机运行模式；
[0012] 步骤4:依照控制目标，对关节运动轨迹采用高阶多项式插值得到每个时间点关 节位置、速度及加速度的控制量；
[0013] 步骤5 :依据步骤4得到的控制量，通过PD0通讯方式对工作在位置模式或速度模 式下的电机发送控制指令，完成对机械臂关节电机的控制；
[0014] 所述电机控制指令包括位置指令、速度指令以及加减速度指令。
[0015] PD0(process data object)通讯方式适用于高速数据传输，一个报文最多可以传 输8个字节数据，电机运动控制中驱动器状态、电机运行速度、电机位置值、加减速度等控 制量对实时性要求很高，且数据量大，将这些控制量对应的对象字典衍射到R/TPD0上可以 满足实时性要求，标识符采用默认方式定义。PD0的配置是由服务数据对象SDCKservice data object)通讯方式实现的，SD0通讯方式通过索引和子索引来访问设备的对象字典，数 据携带量小，适合于参数设置、功能配置等工作。
[0016] 基于PD0协议将电机控制的对象字典映射为下表中所示的标识符及传输方式： [0017]表 1
[0018]
【权利要求】
1. 一种基于CANopen的机械臂关节电机控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤： 步骤1 :将各机械臂关节电机的驱动器连接于CAN总线上，并对所有驱动器上电，CAN总 线进入预操作状态； 步骤2 :控制端通过CAN卡将电机控制量对应的对象字典映射到CAN总线上的每个驱 动器的PD0单元，基于PD0协议进行PD0配置，并将CAN总线设为可操作状态； 所述电机控制量包括电机转速和电流，电机所在关节的目标位置、加速度、减速度、位 置反馈量及速度反馈量； 步骤3 :按照控制需求，利用控制端从位置模式或速度模式中选择电机运行模式； 步骤4:依照控制目标，对关节运动轨迹采用高阶多项式插值得到每个时间点关节位 置、速度及加速度的控制量； 步骤5 :依据步骤4得到的控制量，通过PD0通讯方式对工作在位置模式或速度模式下 的电机发送控制指令，完成对机械臂关节电机的控制； 所述电机控制指令包括位置指令、速度指令以及加减速度指令。
2. 根据权利要求1所述的基于CANopen的机械臂关节电机控制方法，其特征在于，基于 PD0协议将电机控制的对象字典映射为下表中所示的标识符及传输方式：
其中，R/TPDOx为接收或发送对象，节点id为驱动器在CAN总线上的节点标号。
3. 根据权利要求2所述的基于CANopen的机械臂关节电机控制方法，其特征在于，利用 同步信号传输驱动器实时获取机械臂关节电机的工作状态。
4. 根据权利要求2所述的基于CANopen的机械臂关节电机控制方法，其特征在于，对各 机械臂关节的轨迹P(t)采用高阶多项式插值得到每个时间点关节位置、速度及加速度： P(t) = a〇+a3t3+a4t4+a 5t5 且需要满足以下约束条件： P(〇) = P〇,P/ (0) = 〇,Ρ/7 (0) = Ρ" 〇 P(td)=Pd，P' （td) = Ρ' d，Ρ" (td) = Ρ" d 其中，αο = Ρ〇，αι = Ρ' 0，
其中，t表示机械臂关节运动时间，td表示机械臂关节目标运动时间，匕和Pd分别为机 械臂关节初始位置和目标位置，P' ^和P d分别为机械臂关节初始位置速度和目标位置 速度，P" ^和P" d分别为机械臂关节初始位置加速度和目标位置加速度。
5. -种基于CANopen的机械臂关节电机控制系统，其特征在于，包括CAN卡、上位机及 CAN总线，上位机、CAN卡及CAN总线依次相连，各机械臂关节电机的驱动器连接于CAN总线 上；上位机采用权利要求1-4任一项所述的基于CANopen的机械臂关节电机控制方法，通过 CAN卡对连接在CAN总线上的各机械臂关节电机的驱动器进行roo配置，基于roo协议和配 制的控制量，对机械臂关节电机进行控制。
【文档编号】B25J9/18GK104290096SQ201410469982
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】王耀南, 高小龙 申请人:湖南大学