电机的信号是如何读取并运动的？从 CANopen 指令到电机转动

一、前言

当我们在电脑上输入一个目标速度，例如让电机以 100 rpm 的速度旋转时，电机是如何理解这个数字，并最终产生运动的？

计算机发送的是数字，电机执行的却是物理运动。两者之间，需要经历通信协议、驱动器控制程序、功率电路以及传感器反馈等多个环节。

以常见的伺服电机和 CANopen 通信协议为例，我们可以把整个过程理解为：

这条链路包含三个不同的层次：

理解时不要把这三个层次混在一起。CANopen 负责传输和定义参数，电机控制算法负责决定如何驱动，功率电路才负责向电机提供实际能量。

下面从实际指令出发，逐步理解这个过程。

第一步：上位机如何告诉电机该做什么？

在机器人系统中，上位机可以是电脑、控制板或机器人主控制器。它负责向电机驱动器发送控制指令。

例如，我们希望电机以指定速度运行，就需要告诉驱动器：

• 当前应该处于什么控制状态？
• 使用什么控制模式？
• 目标速度是多少？

CANopen 是一种建立在 CAN 总线之上的高层通信协议。它不仅规定了数据如何传输，还定义了一套常见的参数组织方式，称为对象字典（Object Dictionary）。

对象字典可以理解为驱动器内部的一张参数表。不同的索引对应不同的控制参数或状态信息。

以常见的 CiA 402 驱动器配置为例：

这些索引属于常见的 CiA 402 对象定义，但驱动器是否支持它们，以及参数的单位、缩放方式，都需要以具体设备手册为准。

第二步：理解几个关键控制指令

1. 0x6040：控制字

控制字用于控制驱动器状态，例如请求驱动器使能。

常见的 CiA 402 控制状态转换操作包括：

• 0x0006：Shutdown，请求进入准备使能状态。
• 0x0007：Switch on，请求进入已接通状态。
• 0x000F：Enable operation，请求使能运行。
• 0x0080：Fault reset，故障复位请求，具体行为取决于设备状态和驱动器实现。

这些值是不可以随意排列的启动口令。驱动器有自己的状态机，通常需要按照规定的状态转换顺序操作，并确认状态字中的反馈。

例如，即使发送了 0x000F，如果驱动器仍处于故障状态、电源未就绪或存在安全互锁，电机也不一定能够运行。

2. 0x6060：工作模式

电机驱动器可以工作在不同模式下，例如位置控制、速度控制和转矩控制。

常见的 CiA 402 模式值包括：

• 并不是所有驱动器都支持全部模式

如果想让电机以指定速度运行，就需要选择驱动器支持的速度控制模式，并确认该模式对应的目标参数和控制流程。

3. 0x60FF：目标速度

假设我们希望电机达到目标速度，就可以使用 0x60FF 这个常见的目标速度对象。

需要注意：写入的数值不一定直接等于 rpm。

例如，写入数字 1000，它究竟代表 1000 rpm、100 rpm，还是经过特定比例缩放的内部数值，取决于驱动器的单位定义、电子齿轮比和参数配置。

因此，实际使用时必须先查阅驱动器手册，确认数据类型和缩放比例。

第三步：数字指令如何通过 CAN 总线传输？

CAN 总线传输的不是文字，而是由标识符和数据字节组成的报文。

在 CANopen 中，SDO（服务数据对象）常用于读写对象字典参数。

例如，假设：

• 驱动器节点 ID 为 1；
• 使用标准 CANopen SDO；
• 要向 0x60FF:00 写入一个 32 位整数；
• 写入的原始数值为 1000。

对应的经典 CANopen SDO 下载请求可以表示为：

CANopen SDO 数据部分：小端，低字节先发

• 第 1 字节 (最低)：0xE8
• 第 2 字节：0x03
• 第 3 字节：0x00
• 第 4 字节 (最高)：0x00

整帧数据为：

CAN ID: 0x601
Data:   23 FF 60 00 E8 03 00 00

这里的 1000 按照小端序编码为 E8 03 00 00。

如果写入成功，驱动器通常会返回 SDO 响应：

CAN ID: 0x581
Data:   60 FF 60 00 00 00 00 00

其中 0x581 是节点 1 的常见 SDO 响应标识符，0x60 表示写入成功的确认响应。

但要特别注意：这条报文只是一个参数写入示例，不代表发送后电机就一定会转动。 实际控制还需要正确的工作模式、驱动器状态、参数单位和设备配置。

第四步：驱动器收到指令后做了什么？

CAN 总线只是负责传输数据。真正决定电机如何运动的是驱动器内部的控制程序。

当驱动器收到一条指令后，通常需要完成以下工作：

1. 接收并校验 CAN 报文。
2. 根据 CANopen 协议解析请求。
3. 定位对象字典中的目标参数。
4. 检查数据类型、参数范围和当前驱动器状态。
5. 将目标值交给相应的控制算法。

例如，当目标速度被写入后，驱动器会将其作为控制目标。

如果工作在速度控制模式，控制程序就需要比较目标速度和当前实际速度，并根据两者之间的误差计算控制输出。

这一过程可以简化为：

目标速度
   ↓
与实际速度比较
   ↓
计算速度误差
   ↓
速度控制器（例如 PI）
   ↓
生成转矩或电流指令
   ↓
电流控制器
   ↓
控制功率器件

具体控制结构因电机类型和驱动器设计而异，但速度环、电流环是许多伺服系统中常见的控制结构。

第五步：电信号如何让电机真正转动？

驱动器最终需要控制电机绕组中的电流，才能产生电磁转矩。

以常见的永磁同步电机为例，电机内部主要包含定子和转子：

• 定子：具有绕组，通入受控电流后产生磁场。
• 转子：具有永磁体或其他磁场结构。
• 功率驱动电路：通过控制功率器件的开关，将直流电源转换成电机所需的多相电压和电流。

在常见的伺服驱动器中，控制器会使用 PWM 等方式控制功率器件；对于采用磁场定向控制（FOC）的永磁同步电机，还会对电流进行坐标变换和调节，以控制转矩与磁场分量。

当绕组电流受到控制后，定子磁场与转子磁场之间产生电磁作用，电机就会输出转矩。

只要转矩足以克服摩擦、负载和其他阻力，转子便开始转动。

因此，从数字指令到机械运动，中间并不是简单的“数字直接变成转速”，而是经过了控制算法、电流调节和电磁能量转换。

第六步：编码器如何知道电机转了多少？

如果只给电机供电，它可能会旋转，但控制器未必知道它实际转了多少、速度是多少。

为了实现精准控制，伺服电机通常会配备编码器等传感器。

编码器可以提供转子位置或增量计数信息。驱动器根据一段时间内的位置变化，估算实际转速。

例如，假设：

• 在 0.1 秒内，编码器计数增加了 1000；
• 经过设备定义的解码方式换算后，每转对应 4000 个计数；
• 暂时忽略滤波、量化和测量误差。

则转速估算为：

$n=\frac{\Delta N}{C}\times\frac{60}{\Delta t}$其中：

• $\Delta N$：这段时间内的计数变化；
• $C$：每转对应的有效计数；
• $\Delta t$：测量时间，单位为秒；
• $n$：转速，单位为 rpm。

代入示例：

$n=\frac{1000}{4000}\times\frac{60}{0.1} =150\ \text{rpm}$这说明电机在该测量区间内的平均转速约为 150 rpm。

实际计算时，必须确认编码器计数定义、减速器传动比以及驱动器是否已经完成单位换算。

第七步：闭环控制如何让电机稳定运行？

假设目标速度为 100 rpm，而编码器测得的实际速度只有 80 rpm。

控制器就会计算速度误差：

$e=100-80=20\ \text{rpm}$

速度控制器根据误差和内部参数，调整转矩或电流指令，让电机输出更合适的转矩。

随后，驱动器再次读取实际速度，重新计算误差并调整输出。

这一过程会不断重复：

目标速度：100 rpm
       ↓
比较目标与实际速度
       ↓
实际速度：80 rpm
       ↓
计算误差：20 rpm
       ↓
调整电流 / 转矩指令
       ↓
电机速度发生变化
       ↓
编码器再次反馈实际速度
       └───────循环

这就是闭环控制的基本思想：不是发出一次指令就不再管它，而是持续测量实际结果，并根据误差修正控制输出。

当负载突然增大时，电机转速可能下降。闭环控制可以检测这种变化，并尝试通过调整输出转矩维持目标速度，但它能否维持速度，仍取决于电机功率、驱动器能力和负载大小。

思考

学习电机控制时，很容易把注意力集中在通信指令上，例如 0x6040、0x6060 和 0x60FF。但这些指令只是整个系统中的一部分。

0x6040 负责请求驱动器改变状态，0x6060 用于选择控制模式，0x60FF 可以设置目标速度。它们本身不会直接产生电磁转矩。真正让电机运动的，是驱动器把数字目标转换成控制量，再通过功率电路控制绕组电流；而编码器反馈与闭环算法，让电机能够根据实际运动状态持续调整输出。

理解这一点之后，机器人控制就不再只是发送几个十六进制数字，而是一个连接了通信协议、嵌入式软件、控制理论、电力电子和机械运动的完整系统。

这也是我认为学习机器人硬件最重要的一点：不要只记住某条指令的含义，更要弄清楚这条指令进入系统之后，究竟改变了什么，以及它最终如何影响真实世界。