一种CANOPEN模式下的电机参数自适应方法

摘要

本发明公开了一种CANOPEN模式下的电机参数自适应方法，涉及技术领域。本发明包括以下步骤：CANopen网络内的不同节点与上位机进行实时通讯，电机控制指令的传输和运行数据的读取均以PDO方式完成，上位机作为主站给各个电机驱动器从站发送力矩或速度指令，获取实际速度、力矩和电流回送上位机进行实时控制并保存数据，并构建RBF神经网络，以均方误差作为评价函数，利用梯度下降法计算PID控制器的参数，实现对电机参数的自适应调节。本发明通过构建RBF神经网络，以均方误差作为评价函数，利用梯度下降法计算PID控制器的参数，实现对电机参数的自适应调节，减少人力成本提高电机智能化程度和生产效率。

说明书

技术领域

本发明属于技术领域，特别是涉及一种CANOPEN模式下的电机参数自适应方法。

背景技术

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。

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PDO的配置都要使用到其中的对象字典；CiA DraftStandard 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。

但现有的电机参数都是通过有经验的员工进行手动调节，很难调节至电机最理想的工作条件下，且电机的参数调节需要依靠经验进行人工调节，耗费人力资源巨大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CANOPEN模式下的电机参数自适应方法，通过CANopen网络内的不同节点与上位机进行实时通讯，上位机作为主站给各个电机驱动器从站发送力矩或速度指令，获取实际速度、力矩和电流回送上位机进行实时控制并保存数据，并构建RBF神经网络，利用梯度下降法计算PID控制器的参数，实现对电机参数的自适应调节，解决了现有的电机参数需要人工调节、人力物力资源消耗大的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种CANOPEN模式下的电机参数自适应方法，包括如下步骤：

步骤S1：将3台电机驱动器以及2台能量回馈器作为CANopen网络内的不同节点与上位机进行实时通讯；

步骤S2：上位机作为主站给各个电机驱动器从站发送力矩或速度指令；

步骤S3：以PDO方式对电机控制指令的传输和运行数据进行读取；

步骤S4：各个驱动器从站将电机的实际速度、力矩和电流回送上位机进行实时控制并保存数据；

步骤S5：根据实时采集速度、力矩和电流采用RBF神经网络，以均方误差作为评价函数，利用梯度下降法计算PID控制器的参数，实现PID 参数的自适应调整；

步骤S6：每次调整PID参数后，采用高阶多项式插值得到每个时间点速度、力矩和电流的控制量；

步骤S7：根据速度、力矩和电流控制量，通过PDO通信方式对工作在自适应模式下得电机发送控制指令，完成对电机参数的自适应调节。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S1中，电机的指令和相应数据均区为2字节16为字节长，每台所述电机节点在每个采样点上控制所需数据量小于40字节；所述能量回馈器的回馈电流数据不大于40字节；五个所述节点的控制总数据传输量每周期小于200字节；因此，所述CANopen 网络通讯最大1Mbps波特率的条件下，电机控制最小的采样周期为：

作为一种优选的技术方案，所述步骤S2中，在主站首先对CANopen 进行接口配置，将3台电机驱动器和2台能量回馈器添加为网络节点；其次，通过SDO报文读/写对象字典的方式对从站设备进行参数修改，检验主从站设备是否运行正常；再接收到MT报文后，系统进入操作状态，开始实时控制。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S3中，PDO方式用于对上位机和从站驱动器的数据交流；每个所述PDO映射包括多个子索引；其中，子索引0表示提供的数据接口数目，子索引1开始即为映射的数据对象，每个子索引包含4个字节且前2个字节表示数据对象的索引值，第3个字节表示数据对象的子索引值，最后一个字节表示数据对象的长度。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S4中，主从站采用PDO报文的同步周期方式，实现指令和运行信息的双向读取，同时通过数据保存功能将电机和能量回馈器的运行数据保存到文本中，用于系统分析。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S5中，具体步骤如下：

步骤S51：构建RBF神经网络，RBF神经网络的输出

式中，信号输入的N个信号为X＝[x1,x2....,xn]

步骤S52：采用电机输出的转速值与RBF神经网络输出的转速值之间的均方误差作为该神经网络的评价函数H；

步骤S53：对评价函数H使用梯度下降法计算加权平均数、中心向量和扩展常数；

步骤S54：计算PID控制器的参数值，实现PID参数的自适应调整。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过CANopen网络内的不同节点与上位机进行实时通讯，电机控制指令的传输和运行数据的读取均以PDO方式完成，上位机作为主站给各个电机驱动器从站发送力矩或速度指令，获取实际速度、力矩和电流回送上位机进行实时控制并保存数据，并构建RBF神经网络，以均方误差作为评价函数，利用梯度下降法计算PID控制器的参数，实现对电机参数的自适应调节，减少人力成本提高电机智能化程度和生产效率。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种CANOPEN模式下的电机参数自适应方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明为一种CANOPEN模式下的电机参数自适应方法，包括如下步骤：

步骤S1：将3台电机驱动器以及2台能量回馈器作为CANopen网络内的不同节点与上位机进行实时通讯；

步骤S2：上位机作为主站给各个电机驱动器从站发送力矩或速度指令；

步骤S3：以PDO方式对电机控制指令的传输和运行数据进行读取；

步骤S4：各个驱动器从站将电机的实际速度、力矩和电流回送上位机进行实时控制并保存数据；

步骤S5：根据实时采集速度、力矩和电流采用RBF神经网络，以均方误差作为评价函数，利用梯度下降法计算PID控制器的参数，实现PID 参数的自适应调整；

步骤S6：每次调整PID参数后，采用高阶多项式插值得到每个时间点速度、力矩和电流的控制量；

步骤S7：根据速度、力矩和电流控制量，通过PDO通信方式对工作在自适应模式下得电机发送控制指令，完成对电机参数的自适应调节。

步骤S1中，电机的指令和相应数据均区为2字节16为字节长，每台电机节点在每个采样点上控制所需数据量小于40字节；能量回馈器的回馈电流数据不大于40字节；五个节点的控制总数据传输量每周期小于200字节；因此，CANopen网络通讯最大1Mbps波特率的条件下，电机控制最小的采样周期为：

首先进行主站CANopen接口配置，选择波特率，完成CAN-open板卡的初始化，将3台电机驱动器和2台能量回馈器添加为网络的节点。其后，通过SD0报文读写对象字典的方式对从站设备进行参数修改，检验主从站设备是否运行正常。接收到MT报文后，系统进入操作状态，开始实时控制，主从站采用PDO报文的同步周期方式，实现指令和运行信息的双向读取，同时通过数据保存功能可将电机和能量回馈器的运行数据保存到文本中，用于系统分析。

步骤S2中，在主站首先对CANopen进行接口配置，将3台电机驱动器和2台能量回馈器添加为网络节点；其次，通过SDO报文读/写对象字典的方式对从站设备进行参数修改，检验主从站设备是否运行正常；再接收到MT报文后，系统进入操作状态，开始实时控制。

步骤S3中，PDO方式用于对上位机和从站驱动器的数据交流；每个 PDO映射包括多个子索引；其中，子索引0表示提供的数据接口数目，子索引1开始即为映射的数据对象，每个子索引包含4个字节且前2个字节表示数据对象的索引值，第3个字节表示数据对象的子索引值，最后一个字节表示数据对象的长度。

每个D0映射都包含几个子索引，其中子索引0表示提供的数据接口数目。从子索引1开始即为映射的数据对象，每个子索引包含4个字节，前2 个字节表示数据对象的索引值，第3个字节表示数据对象的子索引值，上述索引和子索引值对应于驱动器中的数据地址(如力矩指令值、电机速度等)，最后一个字节表示数据对象的长度。如索引2F13h和子索引01h确定了驱动器中力矩指令的地址，10h表示该力矩指令为2字节字长。

步骤S4中，主从站采用PDO报文的同步周期方式，实现指令和运行信息的双向读取，同时通过数据保存功能将电机和能量回馈器的运行数据保存到文本中，用于系统分析。

步骤S5中，具体步骤如下：

步骤S51：构建RBF神经网络，RBF神经网络的输出

式中，信号输入的N个信号为X＝[x1,x2....,xn]

步骤S52：采用电机输出的转速值与RBF神经网络输出的转速值之间的均方误差作为该神经网络的评价函数H；

步骤S53：对评价函数H使用梯度下降法计算加权平均数、中心向量和扩展常数；

步骤S54：计算PID控制器的参数值，实现PID参数的自适应调整。

CANopen协议定义了4种报文格式用作不同功能，分别为服务数据对象(SD0)用于传输非时间关键数据；过程数据对象(PDO)用于传输时间关键进程数据；系统管理命令(NMT)用于网络管理；特殊功能对象用于同步、应急和时间标记对象等。控制过程中主要使用PD0进行通信，分为发送(TPDO) 和接收(RPDO)两种。驱动器将编码器信号转换为数字信息后，根据CAN 总线上的同步对象帧触发各伺服驱动器同步PD0方式同步发送到总线上，主站接收到伺服电机的位置信息后，通过控制算法计算出不同位置下伺服电机的速度，再以PD0的方式分别发送到总线上，从站按照事件触发模式接收控制指令并执行相应动作，从而达到电机的高精度工作要求。

总线控制时，主站发给各从站的数据是通过帧ID中的从站地址区分的，因此从站需要配置一个唯一的地址，即在驱动器中将各通信地址参数修改为不重复的地址。系统中伺服电机选择速度控制模式，需要实时传输速度和位置信息、限位开关信号以及电机状态等，因此选用PD0进行数据传输。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。