CAN總線在多電機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用
1 引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中扮演了極為重要的角色，作為各行業(yè)中的主要拖動(dòng)電機(jī)，應(yīng)用更為廣泛。眾所周知，交流電動(dòng)機(jī)在全壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流達(dá)到額定電流的5～7倍，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，加劇機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損。為了解決交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題，通常需要使用軟起動(dòng)器進(jìn)行軟起動(dòng)。
當(dāng)前軟起動(dòng)器的監(jiān)控一般由各自獨(dú)立的監(jiān)控單元進(jìn)行，無(wú)法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面的控制和監(jiān)測(cè)。因此，建立一套數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)將各軟起動(dòng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，組成完整的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)就顯得非常必要。
相對(duì)于RS-485等通信標(biāo)準(zhǔn)，CAN（Controller Area Network）總線以其具有的諸多優(yōu)點(diǎn)而在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。CAN總線是德國(guó)Bosch公司于上世紀(jì)80年代初推出的一種多主局域網(wǎng)，CAN通信網(wǎng)絡(luò)是一種全分散、全數(shù)字化的智能雙向、多變量、多點(diǎn)、多站的分布式通信體系，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通信速度塊、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。 CAN總線是一種非常適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的通信方式。本文介紹了一種基于CAN總線的交流電機(jī)軟起動(dòng)通信系統(tǒng)。
2 CAN通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
交流電機(jī)軟起動(dòng)通信系統(tǒng)由一臺(tái)工控機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)，工控機(jī)通過(guò)CAN總線接口接入CAN總線，各節(jié)點(diǎn)是由單片機(jī)控制的具有CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)功能的交流電機(jī)軟起動(dòng)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
通信系統(tǒng)各部分提供了不同的功能。其中，工控機(jī)控制交流電機(jī)軟起動(dòng)器的工作狀態(tài)，例如軟起動(dòng)、軟停車(chē)等，顯示軟起動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)如起動(dòng)電壓、起動(dòng)電流等。軟起動(dòng)器按照工控機(jī)的命令控制交流電機(jī)軟起動(dòng)，并采集電機(jī)起動(dòng)電流、電壓等參數(shù)，通過(guò)CAN總線發(fā)往工控機(jī)。
3 CAN通信協(xié)議
本通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度不是固定的。工控機(jī)向軟起動(dòng)器下達(dá)的控制命令只有幾個(gè)字節(jié)，而軟起動(dòng)器向工控機(jī)上傳的軟起動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一般有幾十個(gè)字節(jié)。因此 CAN通信協(xié)議需要有大數(shù)據(jù)量傳輸能力，又要快速高效。由于CAN通信采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度Z多為8個(gè)字節(jié)，在傳輸數(shù)據(jù)量較大時(shí)，就要將數(shù)據(jù)拆分為多個(gè)幀進(jìn)行傳輸。如果將所有信息和數(shù)據(jù)都放在8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)場(chǎng)中，將會(huì)使傳輸幀中有效數(shù)據(jù)少，通信信息多，降低CAN總線通信效率。所以，本文采用了利用報(bào)文標(biāo)識(shí)符中的仲裁場(chǎng)包含通信控制信息，數(shù)據(jù)場(chǎng)包含實(shí)際數(shù)據(jù)的方法，以提高通信效率。
本系統(tǒng)中，CAN通信采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)中帶29位報(bào)文標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。報(bào)文標(biāo)識(shí)符中包含緊急標(biāo)記、目的地址、源地址、幀類(lèi)型、幀號(hào)，其格式如表1所示。
其中緊急標(biāo)記僅有1位，用來(lái)標(biāo)記當(dāng)前幀的優(yōu)先級(jí)，對(duì)于一般信息，該位置1，對(duì)于緊急信息（如三相電壓不平衡、過(guò)流、軟起動(dòng)器組件故障等報(bào)警信號(hào)）該位置0，從而使其擁有高優(yōu)先級(jí)，盡快傳送到目的地。
目的地址共7位,指示該幀所要到達(dá)的目的地,可以是某一具體地址,也可以是廣播地址（主要用于工控機(jī)以廣播方式向各軟起動(dòng)器傳送數(shù)據(jù),如對(duì)時(shí)數(shù)據(jù)等）。
源地址共7位，指示該幀的來(lái)源地址。
幀類(lèi)型有4位，說(shuō)明了該幀的類(lèi)型，如工控機(jī)控制命令、軟起動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。
幀號(hào)共8位，用來(lái)在多幀傳輸中標(biāo)記該幀的序號(hào)。
每個(gè)CAN通信節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的地址號(hào)，地址號(hào)使用7位二進(jìn)制數(shù)表示。其中，優(yōu)先級(jí)Z高的地址分配給工控機(jī)，優(yōu)先級(jí)Z低的地址作為廣播方式的目的地址，其它地址依次分配給各軟起動(dòng)器。
CAN節(jié)點(diǎn)采用雙濾波方式獲取本節(jié)點(diǎn)所需信息，兩個(gè)濾波器均采用7位有效數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)地址和廣播方式下的地址。這樣，就僅有發(fā)往該節(jié)點(diǎn)的幀和廣播幀能夠進(jìn)入應(yīng)用層進(jìn)行處理，其它無(wú)關(guān)通信內(nèi)容都被過(guò)濾掉，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。
工控機(jī)對(duì)軟起動(dòng)器的控制命令由對(duì)應(yīng)的控制命令代碼表示。主要的控制命令有：軟起動(dòng)開(kāi)始/停止，軟停車(chē)開(kāi)始/停止，起動(dòng)方式（階躍式、脈沖突跳式、恒流式）設(shè)置，起動(dòng)時(shí)間設(shè)置等。有些控制命令帶有相關(guān)參數(shù)，如起動(dòng)時(shí)間命令中時(shí)間長(zhǎng)度。控制命令代碼和命令參數(shù)存放在數(shù)據(jù)場(chǎng)中。
4 軟起動(dòng)器CAN通信硬件設(shè)計(jì)
軟起動(dòng)器的CAN通信由P89V51RD2單片機(jī)、CAN控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器PCA82C250和光耦6N137組成，電路原理如圖2所示。
圖2 軟起動(dòng)器CAN通信電路原理圖
SJA1000是一款獨(dú)立的CAN控制器，具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。PCA82C250為總線收發(fā)器，主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)等。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000通過(guò)高速光耦6N137與PCA82C250相連，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。光耦兩側(cè)電源完全電氣隔離，隔離電源由小功率電源隔離模塊B0505提供。
5 軟起動(dòng)器CAN通信程序設(shè)計(jì)
軟起動(dòng)器上電后，首先進(jìn)行自檢，自檢完成后向工控機(jī)發(fā)送自檢結(jié)果；若自檢成功，工控機(jī)向軟起動(dòng)器發(fā)送軟起動(dòng)初始化參數(shù)和“允許起動(dòng)”命令，電機(jī)開(kāi)始軟起動(dòng)；軟起動(dòng)過(guò)程中，軟起動(dòng)器每隔100ms發(fā)送一次軟起動(dòng)數(shù)據(jù)，包括三相電壓、三相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息；電機(jī)運(yùn)行完畢，工控機(jī)發(fā)送“軟停車(chē)開(kāi)始”命令，軟起動(dòng)器開(kāi)始控制電機(jī)軟停車(chē)；當(dāng)軟起動(dòng)器出現(xiàn)故障時(shí)，工控機(jī)會(huì)收到故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)顯示故障原因。
軟起動(dòng)器CAN通信程序主要包括三個(gè)部分：CAN節(jié)點(diǎn)的初始化，報(bào)文的發(fā)送和報(bào)文的接收。其中CAN節(jié)點(diǎn)初始化部分是關(guān)鍵，正確的初始化保證了報(bào)文發(fā)送和接收的正常工作。CAN初始化程序流程如圖3所示。
圖3 CAN初始化程序流程圖
報(bào)文發(fā)送時(shí)，只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議規(guī)定組合成一幀報(bào)文，送入發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)發(fā)送即可。其程序流程圖如圖4所示。
圖4 CAN報(bào)文發(fā)送程序流程圖
報(bào)文的接收過(guò)程中，首先要對(duì)諸如總線脫離、錯(cuò)誤報(bào)警等情況進(jìn)行判斷處理，然后讀取緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)，Z后釋放緩沖區(qū)和相關(guān)寄存器，完成接收并轉(zhuǎn)入對(duì)數(shù)據(jù)的處理程序。其程序流程圖如圖5所示。
圖5 CAN報(bào)文接收程序流程圖
6 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)可靠、高效的交流電機(jī)軟起動(dòng)通信系統(tǒng)，利用CAN總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟起動(dòng)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)功能。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某水泵站電機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)中，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性能好，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
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