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    溫州神舟執行器有限公司

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    新聞資訊

    基于CAN總線(xiàn)的智能電動(dòng)執行器設計

    [來(lái)源:原創(chuàng )] [作者:admin] [日期:12-10-19] [點(diǎn)擊:]

    關(guān)鍵字:電動(dòng)執行器 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機 CAN總線(xiàn)

    引言

     

    執行器有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)三類(lèi),氣動(dòng)需要氣源且難以進(jìn)行遠程控制,液動(dòng)需要液壓調節系統,在解決了防爆和馬達保護問(wèn)題后,電動(dòng)執行器得到了越來(lái)越廣泛的應用。電動(dòng)執行器接收來(lái)自調節器的模擬信號(一般是420mA的電流信號)或上位機的數字信號,將其轉換為電動(dòng)執行器相對應的機械位移(轉角、直線(xiàn)或多轉)并自動(dòng)改變操作變量(調節閥、風(fēng)門(mén)、擋板開(kāi)度等),以達到對被調參數(溫度、壓力、流量、液位等)進(jìn)行自動(dòng)調節的目的,使生產(chǎn)過(guò)程按預定要求進(jìn)行。

    電動(dòng)執行器是自動(dòng)控制系統重要的終端設備,它對整個(gè)控制系統的安全運行、可靠性及調節品質(zhì)的優(yōu)劣都有很大的影響。目前國內生產(chǎn)的電動(dòng)執行器大多由模擬器件控制,存在的問(wèn)題有:①精度差;②保護措施使用繼電器和機械裝置,可靠性差;③大多數電動(dòng)執行器只能接收模擬信號(420mA、15V),不能與計算機進(jìn)行通信;④系統集成度低、維護困難。這就使得現有的電動(dòng)執行器不便于調試和維護,也不能根據生產(chǎn)的實(shí)際需要進(jìn)行參數的現場(chǎng)調整,不便于實(shí)現數字化的分布式控制[9]。

    新型智能電動(dòng)執行器利用微機和現場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)將伺服放大器與執行機構合為一體,具有雙向通信、在線(xiàn)自動(dòng)標定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能??蛇M(jìn)行現場(chǎng)操作或遠程操作,完成手動(dòng)操作及手動(dòng)/自動(dòng)之間無(wú)擾動(dòng)切換[1]??梢哉f(shuō),智能化己經(jīng)成為電動(dòng)執行器發(fā)展的趨勢。

     

    1 控制器選擇

     

    目前采用的8位或16位微控制器的智能控制設備、儀器儀表僅可完成簡(jiǎn)單、低速的數據傳輸,不能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求,特別連接請求較多或控制任務(wù)較復雜時(shí),實(shí)時(shí)性較差。因此,本文選用功能更強的32位微控制器,運行基于特殊應用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行合理的任務(wù)調度,滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)對實(shí)時(shí)性和可靠性的要求[8]。這里選用了TI公司的帶有CAN接口的32位嵌入式微控制器TMS320F2812。

    TMS320F2812TI公司新推出的一款32位定點(diǎn)高速DSP芯片,采用8級指令流水線(xiàn),單周期32×32MAC功能,每秒鐘最高可執行1150億條指令(150MIPS),保證了控制和信號處理的快速性和實(shí)時(shí)性。另外TMS320F2812片上還集成了豐富的外部資源,包括1612ADC、16PWM輸出、3個(gè)32位通用定時(shí)器、128kB16Flash存貯器、18 kB RAM存貯器外圍中斷擴展模塊(PIE)可支持45個(gè)外圍中斷、并具有McBSP、SPI、SCI和擴展的CAN總線(xiàn)等接口。TMS320F2812還支持最大1MB的外部存貯器擴展,TMS320F2812的開(kāi)發(fā)平臺支持C/C++編程語(yǔ)言。其C語(yǔ)言?xún)?yōu)化器的C編譯效率可達90%,還有虛擬浮點(diǎn)數學(xué)函數庫提供支持,可以大大地縮短數學(xué)運算與控制程序的開(kāi)發(fā)周期。TMS320F2812非常適用于電機控制、電源設計、智能傳感器設計等應用領(lǐng)域。

    在對執行電機進(jìn)行狀態(tài)監測與故障診斷時(shí),首先要對各傳感器的信號進(jìn)行采集。CAN總線(xiàn)具有可靠性強、鏈路簡(jiǎn)單、支持優(yōu)先級處理等優(yōu)點(diǎn)。因此,我們選擇了基于CAN總線(xiàn)的主/從分布式的測量方式,并開(kāi)發(fā)了基于TMS320F2812的智能CAN節點(diǎn)。它具有10路模擬量輸入、4路數字量輸入,不僅可以根據中心處理主機的命令進(jìn)行數據采集還可以實(shí)現閾值報警、數字濾波、FFT變換等功能,而且可以大大減輕中心處理主機的運算負荷。電動(dòng)執行器控制系統硬件主要由DSP、CAN總線(xiàn)接口控制器、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機、檢測裝置、驅動(dòng)電路等部分組成。

     

    2 驅動(dòng)電機簡(jiǎn)介

    新型電動(dòng)執行器的驅動(dòng)電機采用開(kāi)關(guān)磁阻電機SRMswitched reluctance motor),它具有結構簡(jiǎn)單、啟動(dòng)電流低、輸出轉矩大、定位精度高、無(wú)惰走和自剎車(chē)等特點(diǎn)。改變了傳統電動(dòng)執行器的體系結構和缺點(diǎn)[4-6],同時(shí),增設了CAN總線(xiàn)和RS-485通信接口,使之成為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中的一個(gè)節點(diǎn),具有運算、控制、通信等功能。新型電動(dòng)執行器在功能上、可靠性和性?xún)r(jià)比上都有大幅度提高,可廣泛應用于電力、石油、化工、冶金、交通和機械等行業(yè)[7]。

    3 CAN通信模塊設計

    CANcontroller area network)總線(xiàn)是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議,它有效支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制,并采用了帶優(yōu)先級的CSMA/CD協(xié)議對總線(xiàn)進(jìn)行仲裁,允許多站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送。既保證了信息處理的實(shí)時(shí)性,又使得CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以構成多主結構的系統,保證了系統的可靠性。CAN采用短幀結構,且每幀信息都有校驗及其它檢錯措施,保證了數據的高實(shí)時(shí)性、低傳輸出錯率,具有很高的位速率和高抗電磁干擾性,而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時(shí),CAN Bus仍可提供高達5kbps的數據傳輸速率。TMS320F2812中的eCAN控制器集成CAN總線(xiàn)的物理層和數據鏈路層,支持CAN總線(xiàn)的210A210B規范[3]。CAN總線(xiàn)可靠的錯誤檢測與處理功能都是由控制器的鏈路層自動(dòng)完成,其最大優(yōu)點(diǎn)就是有32個(gè)可以逐位屏蔽,并帶有超時(shí)監視和傳送動(dòng)態(tài)優(yōu)先級的郵箱。這32個(gè)郵箱共有512個(gè)字節的存儲空間來(lái)存放要發(fā)送或接收到的數據。eCAN本身與SCC模式相兼容,并且增加了低功率模式,設置MC寄存器中的WUBA位,可實(shí)現模塊會(huì )自動(dòng)退出低功率模式和工作模式的切換[10]。

    本設計選用TI公司的CAN收發(fā)器SN65HVD230TMS320F2812直接連接便可接入CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),該收發(fā)器工作電壓為3.3V,節點(diǎn)上電位移對總線(xiàn)上的其它節點(diǎn)沒(méi)有影響,在電噪聲很大的環(huán)境中能可靠地實(shí)現與上位機和其它網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通信。

    CAN模塊驅動(dòng)程序的軟件設計時(shí)通信協(xié)議遵循DeviceNet規約,使之具有良好的模塊性和移植性,通過(guò)軟件對CAN模塊進(jìn)行參數配置,即可實(shí)現應用系統的“即插即用”功能。CAN的驅動(dòng)程序分為硬件抽象層、功能函數層和應用程序接口層三個(gè)層次。硬件抽象層文件CANREGH定義了各CAN控制器寄存器數據格式及讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的方法。功能函數層文件CANFUNC.CCANFUYNC.H包括CAN控制器各種控制功能的實(shí)現函數和CAN總線(xiàn)異常中斷處理函數,該層的函數利用硬件抽象層中對寄存器操作的接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)CAN控制器,來(lái)實(shí)現各種CAN控制器能提供的功能。應用程序接口層的文件有CANAPP.HCANAPP.C,供用戶(hù)實(shí)現現場(chǎng)通信,包括如下過(guò)程:

    ① 初始化CAN控制器。包括使能CAN模塊、模塊時(shí)鐘設置、配置CAN管腳、初始化CANMC寄存器、清除中斷標志位、CAN控制器的工作方式、總線(xiàn)波特率、驗收過(guò)濾器等,以便讓CAN控制器的各個(gè)功能與實(shí)際的工作相符。

    ② 發(fā)送和接收數據。欲發(fā)送和接收的報文按照一定的協(xié)議打包或解析,在用戶(hù)通信命令控制下進(jìn)行CAN信息幀的發(fā)送和接收。通信參數的設置由簡(jiǎn)單的控制命令實(shí)現,最高可達300fps的數據傳輸速率。CAN網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級,按不同報文的實(shí)時(shí)性要求,在任意時(shí)刻主動(dòng)地把本節點(diǎn)檢測和計算好的各電能質(zhì)量參數,向CAN網(wǎng)絡(luò )上任意其它節點(diǎn)和上位機發(fā)送信息,以供分析、存儲、顯示及打印。也可接收上位機發(fā)送的包含有基本控制命令的信息,使轉換器與本節點(diǎn)標志符相匹配的報文進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信,來(lái)對本節點(diǎn)狀態(tài)信息進(jìn)行高速檢測和運行控制。

     

    4 電動(dòng)執行器主程序設計

     

    主程序主要完成系統的初始化、初始狀態(tài)的判斷以及起動(dòng)、運行子程序的調用。初始化包括TMS320LF2812內部各寄存器及變量的初始化,事件管理器和通信顯示模塊及中斷命令初始化,QEP中斷觸發(fā)方式,禁止全部中斷,并關(guān)閉所有的相輸出信號等[2,9]。根據接收的指令確定系統的運行模式、維護系統正常運行、通信和顯示等工作,其流程如圖3所示。

     

    5 結束語(yǔ)

     

    當智能執行器與現場(chǎng)總線(xiàn)連接時(shí),智能執行器就成為了現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中的一塊現場(chǎng)儀表,這時(shí)它不僅具有執行器的功能,而且還具有控制、運算和通信等功能,同時(shí)可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化管理。這類(lèi)總線(xiàn)型智能執行器具有可靠性高、使用方便、通信功能強、診斷保護功能完善、適應性廣泛等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用的深入,將給總線(xiàn)型智能執行器帶來(lái)廣闊的發(fā)展前景?;?span lang="EN-US">DSP控制的CAN總線(xiàn)電動(dòng)執行器,采用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機作為伺服電機[5],以DSP為控制器,簡(jiǎn)化了硬件電路設計,提高了運算速度;設執行器集運算、控制、通信等功能于一體,實(shí)現了機電一體化結構;具有高度的智能化和高精度的系統控制功能以及先進(jìn)的自身保護和系統保護功能,提高了控制的可靠性。

    參考文獻

    [1] 潘偉,王漢功.基于TMS320F2812DSP的智能CAN節點(diǎn)設計[J].國家電子測量技術(shù),200610):36-37.

    [2] 周海龍,鄧士娟.基于DSP微控制器的新型智能電動(dòng)執行器設計[J].中國儀器儀表,200511):64-66.

    [3] 謝銘剛,張奕黃.CAN總線(xiàn)在純電動(dòng)汽車(chē)電機控制系統中的應用[J].微特電機,2005,3310):45-46.

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    [7] 李軍生,李為民.C504在直流無(wú)刷電動(dòng)機控制中的應用[J].電力電子技術(shù),20026):34-36.

    [8] 王曉明.電動(dòng)機的DSP控制[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2004.

    [9] 周海龍.基于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的新型電動(dòng)執行器的研究與設計[D].大連:大連海事大學(xué),2006.

    [10] 鄔寬明.CAN總線(xiàn)原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

    (本文轉自電子工程世界:http://news.eeworld.com.cn/qrs/2012/1019/article_12373_2.html)

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