摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CAN總線的雙通道冗余無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以lIMS320心812為控制器，利用cAN總線實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通訊，給出了實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)的軟件控制策略及硬件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有良好的控制性能及動(dòng)態(tài)特性。
    關(guān)鍵詞：cAN總線；雙通道；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；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(chǎng)總線范疇。由于其****的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，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(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。
    在一些可靠性要求高的場(chǎng)合，例如航海、航天及航空等高精尖領(lǐng)域，單余度的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法達(dá)到要求。為進(jìn)一步提高可靠性，將冗余技術(shù)應(yīng)用到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，通過(guò)cAN總線實(shí)現(xiàn)雙機(jī)的通信與人機(jī)交互，從而大大提高了驅(qū)動(dòng)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(hào)處理能力及事件管理器功能，沒(méi)計(jì)了基于cAN總線的雙通道冗余無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)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(jì)基于cAN總線的雙通道冗余無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(diǎn)DsPTMs320F2812。本系統(tǒng)包含兩個(gè)微控制器，DsP—Master和DSP～slave互為熱備份，兩個(gè)DSP通過(guò)cAN總線及I／O口進(jìn)行控制信息交換及數(shù)據(jù)通信。
    兩個(gè)DsP分別與收發(fā)模塊A、收發(fā)模塊B相連，這兩個(gè)通道與外部數(shù)據(jù)或控制總線是相連的，即共享一個(gè)外部接L=J，通道控制邏輯使同一時(shí)刻只能有一個(gè)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(jī)，在正常工作的情況下由它控制著相應(yīng)通道的通斷。每個(gè)DSP都有自己的EEPROM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的各種即時(shí)信息，并通過(guò)cAN總線在雙機(jī)間進(jìn)行傳輸。控制板工作時(shí)采集傳感器及外部的控制信息，通過(guò)DsP運(yùn)算處理后通過(guò)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(dòng)作。
    1．1功率及功率驅(qū)動(dòng)單元星形
三相六狀態(tài)是本系統(tǒng)采用的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(hù)芯片采用國(guó)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(jì)要求，系統(tǒng)功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)選用IR公司的功率駱動(dòng)芯片IR2136S，因該功率驅(qū)動(dòng)芯片為低有效輸入，所以在DsP的PwM輸出信號(hào)后加一六反相器74Hc04，設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。
    1．2相電流檢測(cè)
單元系統(tǒng)的每個(gè)通道實(shí)時(shí)檢測(cè)其中任意兩相流過(guò)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(yùn)放HcPL一7840將采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為O～3．3 V之間波動(dòng)的模擬電壓信號(hào)，輸入DSP中的A／D模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。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(duì)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(jì)數(shù)器的計(jì)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(duì)數(shù)。
    1．3故障保護(hù)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(duì)應(yīng)的外部中斷PDPINTA和PD—PINTB作為外部保護(hù)中斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)各對(duì)應(yīng)通道的故障保護(hù)。如圖4所示，分別將各通道的過(guò)流信號(hào)、過(guò)壓信號(hào)、欠壓信號(hào)及過(guò)溫信號(hào)等相“與”，分別輸入到DSF’對(duì)應(yīng)功率保護(hù)中斷引腳PDPINT(分為PD—PINTA和PDPJNTB、。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在單通道模式時(shí)，假使該通道出現(xiàn)故障，中斷程序PDPINT會(huì)自動(dòng)切斷該通道PwM波輸出，與此同時(shí)起動(dòng)另一事件管理器PwM波的輸出；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在雙通道運(yùn)行模式時(shí)，當(dāng)其中任意一個(gè)通道發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷該通道的PwM波的輸出，而另一通道工作不受影響。通過(guò)這種方式不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)，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(biāo)識(shí)符模式，接受64字節(jié)的緩沖區(qū)，通過(guò)驗(yàn)收屏蔽寄存器和驗(yàn)收代碼的標(biāo)準(zhǔn)或擴(kuò)展幀進(jìn)行單路／兩路接收過(guò)濾波，對(duì)每一個(gè)cAN總線錯(cuò)誤中斷可以進(jìn)行錯(cuò)誤仲裁的特定位丟失中斷，具有較強(qiáng)的通訊能力；PcA82C250是一個(gè)cAN控制器和物理總線接口，它可以提供總線的差動(dòng)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(yuǎn)程幀)和接收數(shù)據(jù)(包括數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要將數(shù)據(jù)傳送到其他節(jié)點(diǎn)時(shí)，DSP將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)字段的數(shù)據(jù)場(chǎng)和描述場(chǎng)，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(diǎn)和操作平臺(tái)根據(jù)先前規(guī)定的驗(yàn)收屏蔽碼和驗(yàn)收碼進(jìn)行判斷是否接收該數(shù)據(jù)。當(dāng)cAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn)，如果它的描述符不能通過(guò)驗(yàn)收濾波器，cAN控制器是不能驗(yàn)收該數(shù)據(jù)；如果通過(guò)驗(yàn)收濾波器，cAN總線上的描述場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)則按次序存入空緩存器，并向DsP發(fā)送中斷請(qǐng)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(jì)
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(shí)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(shí)測(cè)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(yùn)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(guò)P1D運(yùn)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(hào)Vf(k)與給定速度V相比較后得到速度誤差E(k)，再通過(guò)PI控制算法運(yùn)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(jìn)程就是需要的PWM信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)程，即占空比的調(diào)節(jié)進(jìn)程。系統(tǒng)通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)DSP事件管理器的比較寄存器中的比較值cOMF。來(lái)實(shí)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(shí)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(dāng)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(hào)，微控制器在中斷程序中將接收到的數(shù)據(jù)讀人�；�于cAN總線的雙機(jī)誦信流程如圖8所示。
    3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)完成的基于cAN總線的雙通道冗余無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)如圖9所示，它主要包括控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及仿真器等結(jié)構(gòu)。
    實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jī)在空載時(shí)，系統(tǒng)由雙通道切換到單通道時(shí)的速度曲線變化，可以看出，切換過(guò)程中速度基本平穩(wěn)．電機(jī)動(dòng)態(tài)特性良好．圖11為電機(jī)在雙通道同時(shí)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(jī)速度瞬間下降的曲線。圖12則是在單余度狀態(tài)下測(cè)試得到的速度響應(yīng)曲線。電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程為手動(dòng)調(diào)節(jié)，即手動(dòng)給定0～3．3 V電壓輸入信號(hào)，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(yùn)行時(shí)，人為將手動(dòng)調(diào)節(jié)變緩，以便與雙通道運(yùn)行時(shí)進(jìn)行比較。
    可見(jiàn)，系統(tǒng)的控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試和工程實(shí)現(xiàn)，單通道、雙通道及通道切換三種狀態(tài)運(yùn)行時(shí)速度曲線平滑，狀態(tài)穩(wěn)定。在雙機(jī)通訊中cAN總線發(fā)送、接收數(shù)據(jù)誤碼率低，符合設(shè)計(jì)要求。
    4結(jié)語(yǔ)
    本文結(jié)合cAN總線技術(shù)特點(diǎn)，采用TMS320F2812 DSP芯片設(shè)計(jì)了一套基于cAN總線的雙通道冗余無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(diǎn)結(jié)合起來(lái)，在高速通信速率下有較強(qiáng)的抗干擾能力。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，雙DSP之間可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信，同時(shí)本系統(tǒng)還有可靠性高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于航空、航天及航海等對(duì)控制系統(tǒng)可靠性要求高的領(lǐng)域。

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