摘要：設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于CAN總線的雙通道冗余無刷直流電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以lIMS320心812為控制器，利用cAN總線實現(xiàn)雙機通訊，給出了實現(xiàn)該控制系統(tǒng)的軟件控制策略及硬件設(shè)計方案。實驗表明該系統(tǒng)具有良好的控制性能及動態(tài)特性。
關(guān)鍵詞：cAN總線；雙通道；無刷直流電動機；冗余
O引 言
cAN是controller Area Nemork的縮寫，即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線范疇。由于其****的特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，特別適合工業(yè)工程監(jiān)控設(shè)備的互連，cAN總線的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。
在一些可靠性要求高的場合，例如航海、航天及航空等高精尖領(lǐng)域，單余度的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)已經(jīng)無法達到要求。為進一步提高可靠性，將冗余技術(shù)應(yīng)用到無刷直流電動機的驅(qū)動系統(tǒng)上，通過cAN總線實現(xiàn)雙機的通信與人機交互，從而大大提高了驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)采用TMs320F2812芯片作為微控制器，充分利用該芯片的數(shù)寧信號處理能力及事件管理器功能，沒計了基于cAN總線的雙通道冗余無刷直流電動機控制系統(tǒng)。經(jīng)測試表明，系統(tǒng)的可靠性得到提高，滿足控制要求。
l系統(tǒng)硬件設(shè)計基于cAN總線的雙通道冗余無刷直流電動機控制系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示，它主要由外部信息采集單元、雙通道DsP模塊、應(yīng)用處理及其輸出單元等組成。
雙余度控制單元的控制器選用32位定點DsPTMs320F2812。本系統(tǒng)包含兩個微控制器，DsP—Master和DSP～slave互為熱備份，兩個DSP通過cAN總線及I／O口進行控制信息交換及數(shù)據(jù)通信。
兩個DsP分別與收發(fā)模塊A、收發(fā)模塊B相連，這兩個通道與外部數(shù)據(jù)或控制總線是相連的，即共享一個外部接L=J，通道控制邏輯使同一時刻只能有一個通道打開，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。其中DsP—Master是控制邏輯的主控制機，在正常工作的情況下由它控制著相應(yīng)通道的通斷。每個DSP都有自己的EEPROM存儲器，用于存儲系統(tǒng)的各種即時信息，并通過cAN總線在雙機間進行傳輸。控制板工作時采集傳感器及外部的控制信息，通過DsP運算處理后通過相應(yīng)的通道把控制信息輸出到相應(yīng)控制模塊，控制相應(yīng)設(shè)備的動作。
1．1功率及功率驅(qū)動單元星形
三相六狀態(tài)是本系統(tǒng)采用的無刷直流電動機的運行方式，并采用Dc—Ac三相全橋式的功率逆變電路，其中故障保護芯片采用國際整流器公司的IRFP260N，其Vss****耐壓值為200 V，****In為50 A。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，系統(tǒng)功率開關(guān)管的驅(qū)動選用IR公司的功率駱動芯片IR2136S，因該功率驅(qū)動芯片為低有效輸入，所以在DsP的PwM輸出信號后加一六反相器74Hc04，設(shè)計的功率驅(qū)動電路如圖2所示。
1．2相電流檢測
單元系統(tǒng)的每個通道實時檢測其中任意兩相流過的相電流。如圖3所示，采用高精密低阻值的電流采樣電阻和隔離運放HcPL一7840將采集到的電流信號轉(zhuǎn)換為O～3．3 V之間波動的模擬電壓信號，輸入DSP中的A／D模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后與給定的參考電流值比較，共同控制PwM波的占空比。
由n=6Q／f可以得出，****轉(zhuǎn)速對應(yīng)PwM****占p空比，其轉(zhuǎn)速與PwM占空比的關(guān)系：式中：TOP為計數(shù)器的計數(shù)上限值；OCRx為占空比；f為電源頻率；nmax為****轉(zhuǎn)速；p為轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)。
1．3故障保護與通道切換電路
TMS320F2812 DSP的事件管理器分為EVA和EVB，各自提供了對應(yīng)的外部中斷PDPINTA和PD—PINTB作為外部保護中斷，實現(xiàn)對各對應(yīng)通道的故障保護。如圖4所示，分別將各通道的過流信號、過壓信號、欠壓信號及過溫信號等相“與”，分別輸入到DSF’對應(yīng)功率保護中斷引腳PDPINT(分為PD—PINTA和PDPJNTB、。當系統(tǒng)運行在單通道模式時，假使該通道出現(xiàn)故障，中斷程序PDPINT會自動切斷該通道PwM波輸出，與此同時起動另一事件管理器PwM波的輸出；當系統(tǒng)運行在雙通道運行模式時，當其中任意一個通道發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動切斷該通道的PwM波的輸出，而另一通道工作不受影響。通過這種方式不但可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護，而且不影響系統(tǒng)整體的正常工作。
1．4 cAN總線通信單元
如圖5所示，采用PHILIPS公司的SJAl000控制器作為cAN控制器，采用PcA82c250作為cAN控制器接口。SJAl000控制器遵循cAN2．0B協(xié)議，完全兼容PCA82C250，支持29位標識符模式，接受64字節(jié)的緩沖區(qū)，通過驗收屏蔽寄存器和驗收代碼的標準或擴展幀進行單路／兩路接收過濾波，對每一個cAN總線錯誤中斷可以進行錯誤仲裁的特定位丟失中斷，具有較強的通訊能力；PcA82C250是一個cAN控制器和物理總線接口，它可以提供總線的差動發(fā)送能力和cAN控制器的差分接收能力。
DSP管理cAN總線通信的模式分為發(fā)送數(shù)據(jù)(包括數(shù)據(jù)幀和遠程幀)和接收數(shù)據(jù)(包括數(shù)據(jù)幀和遠程幀)。當節(jié)點需要將數(shù)據(jù)傳送到其他節(jié)點時，DSP將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)字段的數(shù)據(jù)場和描述場，按照規(guī)定的格式發(fā)送到cAN總線上，總線上其它的節(jié)點和操作平臺根據(jù)先前規(guī)定的驗收屏蔽碼和驗收碼進行判斷是否接收該數(shù)據(jù)。當cAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送到其他節(jié)點，如果它的描述符不能通過驗收濾波器，cAN控制器是不能驗收該數(shù)據(jù)；如果通過驗收濾波器，cAN總線上的描述場和數(shù)據(jù)場則按次序存入空緩存器，并向DsP發(fā)送中斷請求，DSP則響應(yīng)中斷，把cAN緩存器中數(shù)據(jù)讀出，通信結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，其控制原理框圖如圖7所示，圖中控制部分由DSP’實現(xiàn)。外環(huán)為速度環(huán)，采用PI控制算法；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，采用PID增量式控制算法。
實測速度V(k)與給定速度V相比較，得速度誤差E(k)。E(k)經(jīng)P1運算得到參考電流值，經(jīng)電流限幅后送入下一環(huán)節(jié)，即電流環(huán)環(huán)節(jié)。參考電流值和電流反饋值相比較，得到電流環(huán)的誤差輸入值e(k)，該誤差值經(jīng)過P1D運算，得到調(diào)節(jié)后的PwM波。
2．1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)電流環(huán)的輸入Iref就是轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出，由反饋的速度信號Vf(k)與給定速度V相比較后得到速度誤差E(k)，再通過PI控制算法運算得到新的參考電流：
Iref=Iref(K-1)+Kps[E(k)一E(k一1)]+KIsE(k)式中：Iref為速度環(huán)節(jié)的輸出；Kps為速度環(huán)節(jié)的比例系數(shù)；KIS為速度環(huán)節(jié)的積分系數(shù)，TS為速度環(huán)節(jié)采樣周期；E(k)為速度誤差。
2．2電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)電流調(diào)節(jié)進程就是需要的PWM信號產(chǎn)生進程，即占空比的調(diào)節(jié)進程。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)PwM波的寬度從而調(diào)節(jié)電流平均值，而PWM波寬度的調(diào)節(jié)則是通過調(diào)節(jié)DSP事件管理器的比較寄存器中的比較值cOMF。來實現(xiàn)的。比較值c()MP為電流環(huán)的輸出，cOMP越大，PwM波占空比也就越大。
2．3 cAN總線通信環(huán)節(jié)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)發(fā)送到cAN總線上；接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，當cAN控制器接收到數(shù)據(jù)后向微控制器發(fā)出中斷響應(yīng)信號，微控制器在中斷程序中將接收到的數(shù)據(jù)讀人�；赾AN總線的雙機誦信流程如圖8所示。
3實驗驗證設(shè)計完成的基于cAN總線的雙通道冗余無刷直流電動機控制系統(tǒng)如圖9所示，它主要包括控制單元、驅(qū)動單元、無刷直流電動機及仿真器等結(jié)構(gòu)。
實驗對象的主要內(nèi)容為供電電壓72 V、空載轉(zhuǎn)速6400 r／min、額定轉(zhuǎn)矩0．8 N·m。
圖lO為電機在空載時，系統(tǒng)由雙通道切換到單通道時的速度曲線變化，可以看出，切換過程中速度基本平穩(wěn)．電機動態(tài)特性良好．圖11為電機在雙通道同時工作狀態(tài)下，由靜止加速到一定轉(zhuǎn)速的速度曲線，后半段為控制器斷電，電機速度瞬間下降的曲線。圖12則是在單余度狀態(tài)下測試得到的速度響應(yīng)曲線。電機的起動過程為手動調(diào)節(jié)，即手動給定0～3．3 V電壓輸入信號，經(jīng)DsP的AD模塊處理后，控制PwM的占空比，起到控制速度的目的。在單通道運行時，人為將手動調(diào)節(jié)變緩，以便與雙通道運行時進行比較。
可見，系統(tǒng)的控制電路結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試和工程實現(xiàn)，單通道、雙通道及通道切換三種狀態(tài)運行時速度曲線平滑，狀態(tài)穩(wěn)定。在雙機通訊中cAN總線發(fā)送、接收數(shù)據(jù)誤碼率低，符合設(shè)計要求。
4結(jié)語
本文結(jié)合cAN總線技術(shù)特點，采用TMS320F2812 DSP芯片設(shè)計了一套基于cAN總線的雙通道冗余無刷直流電動機控制系統(tǒng)，有效地將DSP處理數(shù)據(jù)的快速性和cAN總線數(shù)據(jù)通訊的高可靠性優(yōu)點結(jié)合起來，在高速通信速率下有較強的抗干擾能力。經(jīng)實際測試，雙DSP之間可實現(xiàn)穩(wěn)定通信，同時本系統(tǒng)還有可靠性高、實時性好等優(yōu)點，非常適用于航空、航天及航海等對控制系統(tǒng)可靠性要求高的領(lǐng)域。
本文來源：中國步進電機網(wǎng)（www.b-motor.com） |
