变频器通讯控制CANopen 总线的研究

唐会成

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

近年来随着电力电子技术的发展， 交流变频控制技术变革速度加快， 走向成熟的变频产品在国民经济的各个行业有广泛的应用。 工业控制领域的控制方式从传统的接线控制走向现场总线控制， 常见的有ModBus、Profibus DP、DeviceNet、CANopen 等。 国内外的变频器生产商为提高产品适应性、竞争力，对现场总线通讯控制支持度也越来越高，CANopen 是以CAN 总线为基础， 建立网络层以上高级通讯协议，具有硬件结构简单、抗干扰能力强、短帧高效、高实时性等优点，广泛应用于汽车、机械制造、传感测量等自动化控制领域，因此国外特别是欧洲的变频器厂商其产品都提供了CANopen 接口。 使用CANopen 协议可以简化控制系统布线， 提高开发速度降低成本，通过CANopen 总线可以获取变频器更多的参数信息，本文通过对CANopen 协议运行机理的剖析，给出了变频器通过CANopen 总线通讯技术的控制方法[1]。

1 CANopen 协议

CANopen 是一个基于CAN 串行总线系统，CANopen是基于CAN 总线的应用层协议， 广泛应用于运动控制和自动化控制领域，CANopen 设备主要于通讯接口、对象字典、 应用层协议构成， CANopen 设备结构如图1所示[2]。

图1 CANopen 设备结构Fig.1 CANopen device structure

掌握CANopen 协议的关键是理解对象字典，对象字典是一组有序排列的对象组，是通讯与应用程序的接口，其定义了数据类型、通信及应用对象，通过16 位的索引寻址确定要访问的位置，8 位的子索引确定唯一的应用对象，CANopen 设备基本的网络访问都是通过对象字典实现的[3]。 CANopen 设备的“应用对象”可以是设备的名字、设备参数、设备功能和其它相关数据等。 CANopen 通讯模型如图2 所示。

图2 CANopen 通讯模型Fig.2 CANopen communication model

CANopen 通讯主要由3 种报文格式。管理报文（NMT）：主要用来管理和检测网络， 如CANopen 网络节点初始化、 启动、 停止， 检测网络节点状态等； 服务数据对象（SDO）：优先级比PDO 低，SDO 使客户机能够读取远端设备对象字典。主站通过SDO 可以对CANopen 总线上的从设备进行配置， 还可以在设备之间传输大的低优先级数据；PDO 过程数据对象：设备间传输实时数据，通过PDO数据可以从一个节点传到一个或多个， 设备间预先设好接收和发送区不需要问答数据直接发送到对方指定区域，提高实时性；一个PDO 最多传送8 字节，PDO 分为两种：发送TPDO 以及接收RPDO。PDO 可以用同步或异步的方式传送：同步的PDO 是由SYNC 讯息触发，而异步的PDO 是由节点内部的条件或其他外部条件触发[4]。

2 CANopen 总线组网过程

CANopen 总线网络由1 个主节点和多个从节点构成，每个节点分别由不同COB-ID 做为标识符，主节点通过NMT 报文管理从节点，CANopen 设备总线网络组网原理如图3 所示[5]。当系统上电后，网络中主站首先发送通信复位报文使所有设备复位，报文格式如表1，数据侦由2 个字节组成， 字节0 内数字是命令字，0x82 表示节点复位，字节1 内数字是节点ID，如果是00 则表示网络内所有节点； 从站接收到报文后返回Boot-up 报文， 之后就进入预操作状态，报文格式如表2，字节70x 中x 表示节点ID。

主站接收到网络中从站返回Boot-up 报文便可以知道网络中存在的从站节点， 之后对存在的设备依次进行配置；对每个从站，首先发送预操作指令，如表3，这里是为了确保其在预操作状态，在此状态，通过SDO 进行参数配置；配置完成后，主站启动相应从站，报文格式如表4。 从站返回状态为5，则说明从站进入操作状态，可以进行PDO 报文传输了，报文格式如表5。

图3 CANopen 组网原理图Fig.3 CANopen networking diagram

表1 通信复位报文格式Tab.1 Communication reset message format

表2 Boot- up 报文格式Tab.2 Boot- up message format

表3 预操作报文格式Tab.3 Pre- operation message format

表4 启动从站x 报文格式Tab.4 Start slave x message format

表5 从站返回报文格式Tab.5 Slave return message format

3 CANopen 总线与变频器通讯

主站PLC 通过CANopen总线控制变频器，通信数据主要包含SDO 服务数据对象和PDO 过程数据对象， 其中SDO 服务数据对象主要用于设置变频器固定参数如：变频器最高运行频率、加减速时间、矢量控制时电机参数、变频器运行模式VF 控制模式、转矩控制模式还是矢量控制等；PDO 过程数据对象是主控制器通过CANopen 总线发送给变频器控制数据如变频器启动、停止、故障复位；变频器发送给主控制器的运行参数：系统供电电压、电机转速、IGBT 温度、变频器输出电流、直流母线电压等参数是变频器发送过程数据对象来实现。通过CANopen 总线对变频器控制部分据帧举例如表6，以变频器站号2 为例，控制器通过发送PDO 对变频器进行控制，PDO 包含控制参数、控制命令；变频器接收到控制命令，发送PDO 把运行状态等参数给主站，总线上的数据帧如表6[6]。

表6 控制器与变频器通信数据帧Tab.6 Controller and frequency converter communication data frame

（1）通过SDO 对变频器运行参数设定。 如COB-ID=0x602 ，DATA=23 49 60 01 30 02 00 00 表 示 给 对 象0x6049，子索引01，写入减速度0x0230；COB-ID=0x582的数据帧表示SDO 的应答；

（2）通过RPDO 给变频器发送控制字，控制模式等。如 表 中COB-ID=0x202，DATA=0f 00 c8 00 07 00 00 00表示启动变频器，变频器设定运行速度200 转/min，控制模式7 等。

（3） 变频器运行参数通过变频器发送给PLC 的TP DO 数据。如COB-ID=0x282，DATA=20 31 08 00 5e c3 14 00 表示故障代码为0x3120，控制模式为07，温度为0，直流母线电压为0x0014c35e 等。

4 软件设计

变频器CANopen 总线控制网络中变频器为从站节点，控制器是CANopen 通讯网络主站。 控制器上电后首先完成系统的初始化，CANopen 通讯网络初始化，然后将所有从节点变频器添加为网络节点并启动各从站变频器节点的心跳监测， 从节点发送的周期性心跳报文（Heartbeat），用于检测变频器是否在线。控制器与变频器主从节点采用PDO 信息传输[7]。 软件控制流程如图4 所示。

图4 软件控制流程Fig.4 Software control process

5 结束语

本文通过阐述CANopen 总线的基本概念，将CANopen 总线应用于变频器的控制，构建了基于CANopen的变频器总线控制方法， 通过分析主站控制器与从站变频器组网时的数据侦， 可用于解决组网中遇到的问题，具有一定的借鉴意义。 实际使用过程中有效避免模拟控制方式带的干扰，实际应用结果表明CANopen 总线控制技术，可使系统控制线路简单、有利于系统安装和调试，提高了控制系统的可靠性和实时性。