CAN总线在多相永磁无刷直流电机控制中的应用

资源类型:pdf 资源大小:281.00KB 文档分类:工业技术 上传者:李德欣

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【作者】 曹晨  黄声华 

【关键词】无刷直流电机 CAN总线 控制 

【出版日期】2005-04-28

【摘要】介绍了以80C196KC单片机为核心的多台下位机和上位机组成的多相永磁无刷直流电机控制系统。着重对CAN总线通信系统的构建,通信的可靠性和控制特性做了分析;给出了系统的方案和基于SJA1000的硬件电路和软件流程。

【刊名】微电机(伺服技术)

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1 无刷直流电机的组成永磁无刷直流电机(BLDCM)由电机本体和位置检测元件及霍尔传感器组成;结构简单、运行可靠、维护方便、效率高、功率密度大、调速性能好。其运行特点是每60°换相一次。永磁无刷直流电机理想的反电势波形是具有120°电角度的梯形波,并由120°方波电流(相电流)供电。其方波电流和梯形波反电动势如图1所示。气隙磁波形与理想波形的偏差以及定子电流的换相,会引起电机的转矩波动。转矩波动的抑制可以通过增加电机的相数来实现。文中介绍的永磁无刷直流电机采用多相结构。这一设计特点减少了功率元件串并联的难度,可以做到大容量,高转速,对电机性能也有很好的改善。例如:6单元(每单元三相)的多相电机每10°换流一次,提高了换流的频率,减少了电流的冲击。转矩为6单元的叠加,减少了转矩的波动,并增加了电机运行的可靠性。本调速系统由交一直一交电压型逆变器,永磁电机和转子位置传图1 BLDCM方波电流梯形反电动势感器构成。控制结构采用速度与电流双闭环控制。由于电机的电气时间常数小,对电流控制的实时性要求较高。在控制上速度外环采用数字调节器结构,电流内环采用模拟调节器。相数和单元数的增多,使得通信问题比较突出,既要保证通信网络的可靠性,又要保证其快速,实时性,整个通信网络还应具在多点对点、广播、多点对一点等各种通信方式。实践证明,具有多主结构的CAN总线具有极高的可靠性、实时性和灵活性,在多相多单元电机控制的通信中可以得到很好地应用。—36—2 CAN总线简介CAN总线有以下特点。(1)结构简单,只有两根线与外部相连,且内部含有错误探测和管理模块。(2)通信方式灵活。CAN为多主工作方式,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息。利用这一特点,可以构成多机备份系统。CAN可以点对点,点对多点及全局广播方式发送和接收数据。(3)采用非破坏性仲裁技术。网络上节点信息可分成不同优先级。当两个节点同时向总线上发送数据时,其优先级节点主动停止发送。这大大节省了总线仲裁冲突时间,在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪。(4)CAN通信采用短帧格式,每帧字节数最多为8个,可满足通常工业领域中控制命令,工作状态及测试数据的一般要求。短帧的结构也不会占用总线时间过长,保证了通信的实时性。(5)直接通信距离最大可达10km(速5kb/下),最高通信速率可达1Mb/s(此时距离最长为40m)。节点数最多为110个,通信介质可以是双绞线,同轴电缆或光纤。(6)CAN通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层的功能,可完成对通信数据的成帧处理,包括位填充,数据块编码,循环冗余校验,优先级判别并可提供相应的错误处理功能。3 控制系统的总体结构基于CAN总线的电机控制系统的结构示意图如图2所示。本控制系统中,指令单元,主控单元均以80C196KC单片机为核心构成,与电机驱动单元通过CAN相连。其中,指令单元通过自带的键盘发送电机运行参数(电流给定,速度给定等)和控制命令(起停,转向,开环或闭环,运行和备用的切换等),显示电机运行状态(电机的转速等)并通过RS232完成与PC机的通信。主控机有两台,一台处于运行状态,另一台处于备用状态。运行机和备用机均接收各种参数和命令并做相应地处理。正常情况下,两台机都和指令单元保持着通信,如果运行机发生故障,指令将长时间收不到主控机送来的信号,它将发出命令,使备用机投入运行。备用机提高了控制单元的可靠性。两台机的功能相同,唯一的区别是运行机可以将处理的结果发送给其它的单元,而备用机不可以。另外,速度闭环的工作是由主控机来完成的。驱动单元需要完成的任务有:将指令单元送来的电流给定值经D/A转换,与电流反馈值进行滞环比较来控制直流回路上的斩波频率,使电流反馈跟踪电流给定。接收位置信号,测出转速值,根据位置来控制逆变器的换流顺序和导通时间,由硬件电路通过GAL完成过流,过压等各种保护功能。通过CAN总线,上传转速和各个单元的电流、电压及故障信息。图2 电机各单元间CAN总线通信系统图4 硬件设计电机控制的各个节点间的通信是通过CAN总线来完成。设计稳定可靠的CAN总线对于系统来说很重要。一般有两种CAN总线器件可供选择:一种是集成了CAN控制器的微控制器,如Philips公司的P8XC592/598,Intel的87C196CA/CB,TI公司的TMS320LF2407(DSP)等,这类集成器件使得电路图紧凑,硬件结构简单。另一种是独立的CAN控制器,如Philips的82C200,SJA1000,Intel的82526,82527。这类独立的控制器可以使得设计灵活,可从众多类型单片机中选择最合适的方案。文中所涉及的系统,选用的是独立的CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C250。SJA1000在完全兼容PCA82C200的基础上,增加了一种新的模式PeliCAN,SJA1000完全支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。其工作模式通过内部时钟分频寄存器(CDR)的CAN模式位来选择。硬件复位时默认模式是BasicCAN模式。SJA1000支持多种微处理器的时序特性,如Intel模式或Motorola模式。此控制器有复位模式或工作模式可—46—供微处理器访问其内部寄存器,当硬件复位或控制器掉线,或置位复位请求复位时,SJA1000进入复位模式。当清除内部控制寄存器(CR)的复位请求位时,SJA1000进入工作模式。PCA82C250是协议控制器和物理传输线路之间的接口。此器件对总线提供差动发送能力,对CAN控制器提供差动接收能力。PCA82C250可以在额定电压是12V的CAN总线系统中使用。80C196KC和SJA1000接口部分的电路图如图3所示。CAN控制器SJA1000的串行数据输出线(TX)和串行数据输入线(RX)分别接到收发器PCA82C250,也可通过光电隔离与收发器相连,PCA82C250通过有差动发送和接收功能的两个总线端CANH和CANL接到总线电缆。8脚是输入Rs,用于模式控制,1.6k的电阻使之工作于斜率模式。PCA82C250的额定电源电压是5V,总线两端接120Ω的电阻,匹配总线阻抗起着消除反射信号的作用。在设计接口电路时,首先要根据微处理器选择SJA1000的接口模式。SJA1000的片选地址应与其它的外部存储器无冲突,还应注意SJA1000的复位电路是低电平有效。另外,微处理器对SAJ1000的控制访问是以外部存储器的方式来访问的内部寄存器的。图3 CAN总线接口原理图5 软件设计CAN总线通信的软件设计主要是CAN总线初始化,报文的发送和接收程序。微处理器可以用中断或轮询的方式来访问SJA1000。访问时,SJA1000有两种不同的模式,初始化只能在复位模式下进行。初始化包括设置验收滤波器,总线定时器,输出控制,时钟分频中的特定控制等。设置复位请求后,一定要校验,以确保设置成功。向SJA1000的发送缓冲区中写入数据时,一定要检查发送缓冲区是否处于锁定状态。如锁定,这时写入的数据将丢失。对SJA1000操作的难点在于总线定时器的设置。设置总线定时器包括:设置总线波特率,同步跳转宽度,位周期长度,采样点的位置和在每个采样点的采样数目。其计算公式如下:TSJW=2×TCLK×(BRP+1)TSYNCSEG=1×TSCLTTSEG1=TSCL×(8×TSEG1.3+4×TSEG1.2+2×TSEG1.1+TESG1.0+1)TTSEG2=TSCL×(4×TSEG2.2+2×TSEG2.1+TSEG2.0+1)系统时钟TSCL=2×(波特率预设值+1)/晶振频率一个位周期TBIT=(TSYNCSEG+TTSEG1+TTSEG2)波特率=1/TBIT设置好BITO和BIT1参数后,实际传输的波特率范围:最大波特率=1/(TBIT-TSJW)最小波特率=1/(TBIT+TSJW)图4 中断流程图图5 接收流程图上图给出中断(只开放了接收,超载和出错中—56—图6 发送流程图断),报文发接收的流程。由于本通信系统用于电机的控制,有其特殊性,比如,电机发生过流保护,由位置检测来的信号要求电机马上换流,那么,微处理器应该首先去处理比通信更重要的工作。因而,通信任务所占用的中断时间不能太长。对照流程图可知,为了减少中断处理的时间,防止干扰主程序的运行,除了超载在中断程序中处理以外,错误中断和接收中断程序中仅仅设置相应的标志。主程序通过查询标志来决定是否进入错误处理和接收处理。对于报文的发送,主程序通过查询是否有数据需要发送来决定是否进发送程序。这种改进了的查询方式可以最少的占用单片机的时间,完成通信任务。图7给出电机运行时通信线路CANH和CANL之间的电位差波形。由波形图可见,密集的高低电平就是总线在发送“显性”位和“隐性”位的时刻,“显性”状态以大于最小阀值的差分电压表示,即图中的高电平;总线在空闲或“隐性”位状态发送“隐性”位,即图中的低电平。图7 CANH和CANL之间的电位波形CAN总线在多相永磁无刷直流电机控制中的应用@曹晨$华中科技大学!武汉 430074 @黄声华$华中科技大学!武汉 430074无刷直流电机;;CAN总线;;控制介绍了以80C196KC单片机为核心的多台下位机和上位机组成的多相永磁无刷直流电机控制系统。着重对CAN总线通信系统的构建,通信的可靠性和控制特性做了分析;给出了系统的方案和基于SJA1000的硬件电路和软件流程。[1] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996 [2] 阳宪惠.现场总线及应用[M].北京:清华大学出版社,1999 [3] PhilipsSJA1000-Stand-aloneCANController,DATASHEET,1999 [4] PhilipsPCA82C250CANControllerInetrface.DATASHEET,1997

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