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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總線的智能電動執行器設計

                [來源:原創] [作者:admin] [日期:12-10-19] [點擊:]

                關鍵字:電動執行器 開關磁阻電動機 CAN總線

                引言

                 

                執行器有氣動、液動、電動三類,氣動需要氣源且難以進行遠程控制,液動需要液壓調節系統,在解決了防爆和馬達保護問題后,電動執行器得到了越來越廣泛的應用。電動執行器接收來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,將其轉換為電動執行器相對應的機械位移(轉角、直線或多轉)并自動改變操作變量(調節閥、風門、擋板開度等),以達到對被調參數(溫度、壓力、流量、液位等)進行自動調節的目的,使生產過程按預定要求進行。

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

                新型智能電動執行器利用微機和現場總線通信技術將伺服放大器與執行機構合為一體,具有雙向通信、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術要求的功能??蛇M行現場操作或遠程操作,完成手動操作及手動/自動之間無擾動切換[1]??梢哉f,智能化己經成為電動執行器發展的趨勢。

                 

                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單、低速的數據傳輸,不能滿足工業現場的實時性和可靠性要求,特別連接請求較多或控制任務較復雜時,實時性較差。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時操作系統進行合理的任務調度,滿足工業現場對實時性和可靠性的要求[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位定點高速DSP芯片,采用8級指令流水線,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時性。另外TMS320F2812片上還集成了豐富的外部資源,包括1612ADC、16PWM輸出、332位通用定時器、128kB16Flash存貯器、18 kB RAM存貯器外圍中斷擴展模塊(PIE)可支持45個外圍中斷、并具有McBSP、SPI、SCI和擴展的CAN總線等接口。TMS320F2812還支持最大1MB的外部存貯器擴展,TMS320F2812的開發平臺支持C/C++編程語言。其C語言優化器的C編譯效率可達90%,還有虛擬浮點數學函數庫提供支持,可以大大地縮短數學運算與控制程序的開發周期。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域。

                在對執行電機進行狀態監測與故障診斷時,首先要對各傳感器的信號進行采集。CAN總線具有可靠性強、鏈路簡單、支持優先級處理等優點。因此,我們選擇了基于CAN總線的主/從分布式的測量方式,并開發了基于TMS320F2812的智能CAN節點。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行數據采集還可以實現閾值報警、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。電動執行器控制系統硬件主要由DSP、CAN總線接口控制器、開關磁阻電動機、檢測裝置、驅動電路等部分組成。

                 

                2 驅動電機簡介

                新型電動執行器的驅動電機采用開關磁阻電機SRMswitched reluctance motor),它具有結構簡單、啟動電流低、輸出轉矩大、定位精度高、無惰走和自剎車等特點。改變了傳統電動執行器的體系結構和缺點[4-6],同時,增設了CAN總線和RS-485通信接口,使之成為現場總線控制系統中的一個節點,具有運算、控制、通信等功能。新型電動執行器在功能上、可靠性和性價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[7]。

                3 CAN通信模塊設計

                CANcontroller area network)總線是一種先進的串行通信協議,它有效支持分布式控制及實時控制,并采用了帶優先級的CSMA/CD協議對總線進行仲裁,允許多站點同時發送。既保證了信息處理的實時性,又使得CAN總線網絡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,保證了數據的高實時性、低傳輸出錯率,具有很高的位速率和高抗電磁干擾性,而且能夠檢測出產生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時,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總線的物理層和數據鏈路層,支持CAN總線的210A210B規范[3]。CAN總線可靠的錯誤檢測與處理功能都是由控制器的鏈路層自動完成,其最大優點就是有32個可以逐位屏蔽,并帶有超時監視和傳送動態優先級的郵箱。這32個郵箱共有512個字節的存儲空間來存放要發送或接收到的數據。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,可實現模塊會自動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收發器SN65HVD230TMS320F2812直接連接便可接入CAN總線網絡,該收發器工作電壓為3.3V,節點上電位移對總線上的其它節點沒有影響,在電噪聲很大的環境中能可靠地實現與上位機和其它網絡節點通信。

                CAN模塊驅動程序的軟件設計時通信協議遵循DeviceNet規約,使之具有良好的模塊性和移植性,通過軟件對CAN模塊進行參數配置,即可實現應用系統的“即插即用”功能。CAN的驅動程序分為硬件抽象層、功能函數層和應用程序接口層三個層次。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訪問的方法。功能函數層文件CANFUNC.CCANFUYNC.H包括CAN控制器各種控制功能的實現函數和CAN總線異常中斷處理函數,該層的函數利用硬件抽象層中對寄存器操作的接口來訪問CAN控制器,來實現各種CAN控制器能提供的功能。應用程序接口層的文件有CANAPP.HCANAPP.C,供用戶實現現場通信,包括如下過程:

                ① 初始化CAN控制器。包括使能CAN模塊、模塊時鐘設置、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、總線波特率、驗收過濾器等,以便讓CAN控制器的各個功能與實際的工作相符。

                ② 發送和接收數據。欲發送和接收的報文按照一定的協議打包或解析,在用戶通信命令控制下進行CAN信息幀的發送和接收。通信參數的設置由簡單的控制命令實現,最高可達300fps的數據傳輸速率。CAN網絡上的節點信息可分成不同的優先級,按不同報文的實時性要求,在任意時刻主動地把本節點檢測和計算好的各電能質量參數,向CAN網絡上任意其它節點和上位機發送信息,以供分析、存儲、顯示及打印。也可接收上位機發送的包含有基本控制命令的信息,使轉換器與本節點標志符相匹配的報文進行網絡通信,來對本節點狀態信息進行高速檢測和運行控制。

                 

                4 電動執行器主程序設計

                 

                主程序主要完成系統的初始化、初始狀態的判斷以及起動、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中斷觸發方式,禁止全部中斷,并關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

                 

                當智能執行器與現場總線連接時,智能執行器就成為了現場總線控制系統中的一塊現場儀表,這時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,同時可以實現網絡化管理。這類總線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、適應性廣泛等優點。隨著現場總線技術應用的深入,將給總線型智能執行器帶來廣闊的發展前景?;?span lang="EN-US">DSP控制的CAN總線電動執行器,采用開關磁阻電動機作為伺服電機[5],以DSP為控制器,簡化了硬件電路設計,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節點設計[J].國家電子測量技術,200610):36-37.

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

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

                [4] ZHIY.Design of the Fuzzy Controller for Switched ReluctanceDrive[C]BeijingCEMI2005,20051-5.

                [5] CHENH,SUNC.Sliding Mode Control of Switched Reluctance Motor Drive[C]DalianISTM2005,20052909-2912.

                [6] CORDA J.Speed Control of Switched Reluctance Motors[C]BeijingICEM87,1987235-238.

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

                [8] 王曉明.電動機的DSP控制[M].北京:航空航天大學出版社,2004.

                [9] 周海龍.基于開關磁阻電動機的新型電動執行器的研究與設計[D].大連:大連海事大學,2006.

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