基于CAN總線通信組網(wǎng)的四余度發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)

楊靜偉，盧 剛，李聲晉，周 勇，周奇勛，張玉峰

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

現(xiàn)代醫(yī)療和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)τ陔娏?yīng)的可靠性要求越來越高，而傳統(tǒng)的單一發(fā)電機(jī)發(fā)電功能過于簡(jiǎn)單、可靠性相對(duì)較低，已很難保證諸如醫(yī)療機(jī)構(gòu)手術(shù)過程及高成本產(chǎn)品生產(chǎn)等供電系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計(jì)的多余度發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)是在Microchip公司MCU基礎(chǔ)上，運(yùn)用CAN總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)四余度發(fā)電機(jī)控制。

CAN總線在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，通常采用對(duì)等結(jié)構(gòu)即多主工作模式，CAN總線網(wǎng)絡(luò)是由許多節(jié)點(diǎn)形成，這些節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可以向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，四余度發(fā)電機(jī)組控制器則是根據(jù)CAN總線的這一特點(diǎn)完成多余度實(shí)時(shí)控制。其特點(diǎn)總結(jié)如下:

(1)CAN短幀結(jié)構(gòu)的運(yùn)用使得傳輸時(shí)用時(shí)較短，不容易受到外界干擾，為了降低其出錯(cuò)率，CAN總線采取了CRC校驗(yàn)等校驗(yàn)措施;

(2)在CAN總線通信中，主機(jī)可以從原來繁重的底層設(shè)備監(jiān)控任務(wù)中解放出來進(jìn)行更高層次的控制和管理功能;

(3)CAN總線的通信介質(zhì)一般為電纜、雙絞線，也有的CAN總線采用光纖，因此其選擇具有很強(qiáng)的靈活性;

(4)CAN總線協(xié)議是唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，使系統(tǒng)通用性較好;

(5)CAN總線的數(shù)據(jù)幀類型包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀、擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀等。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

四余度發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)是由上位機(jī)、1個(gè)中心控制器、4個(gè)分控制器、控制油門用電動(dòng)機(jī)、4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組成的。四余度發(fā)電機(jī)組采用LabWindows/CVI作為上位機(jī)，通過中心控制器對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并對(duì)系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和控制;中心控制器則作為上位機(jī)與CAN總線之間的橋梁;每個(gè)分控制器對(duì)應(yīng)一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，對(duì)其進(jìn)行直接控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體控制框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 以中心控制器為基礎(chǔ)建立的通信網(wǎng)絡(luò)

中心控制器作為控制器的信息傳輸紐帶，一方面與分控制器進(jìn)行通信，接收反饋數(shù)據(jù)并將接收到的上位機(jī)的指令發(fā)送給從控制器;另一方面與上位機(jī)進(jìn)行通信;在四余度發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中，中心控制器的中央控制器(MCU)選擇 Mirochip公司的dsPIC30F4011。

在與分控制器建立的CAN總線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，中心控制器最終是通過串口通信與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其串口通信采用串口隔離轉(zhuǎn)換器。

2.2 分控制器硬件結(jié)構(gòu)

四余度發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的四個(gè)分控制器的MCU均選擇Mirochip公司的dsPIC30F4012，其功能特點(diǎn)與dsPIC30F4011較為相似，在電機(jī)控制PWM模塊特性上，dsPIC30F4012具有6路PWM輸出通道、3個(gè)占空比發(fā)生器、PWM專用時(shí)基和用于互補(bǔ)模式的死區(qū)控制并且含有用于A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)器。本系統(tǒng)PWM控制采用互補(bǔ)模式，并設(shè)定死區(qū)時(shí)間為 2 μs。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的伺服分控制器原理圖如圖2所示。系統(tǒng)采用7.5 MHz晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào);電源模塊采用78L15和78L05為MCU和驅(qū)動(dòng)芯片提供穩(wěn)定電源;dsPIC30F4012內(nèi)部A/D模塊為10位，即其接收到的模擬反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字反饋信號(hào)的精度較高，A/D轉(zhuǎn)換器最多可以有16個(gè)模擬輸入引腳，指定為AN0～AN15。通過位置傳感器的反饋量構(gòu)成位置閉環(huán)，即dsPIC30F4012的給定值與位置反饋信號(hào)比較，再通過反饋控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，使得系統(tǒng)的輸出量跟蹤系統(tǒng)的給定量。

圖2 某分控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.3 CAN通信模塊電路設(shè)計(jì)

四余度發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的CAN通信模塊的每一節(jié)點(diǎn)基本上都是由MCU(dsPIC30F4011或dsPIC30F4012)和CAN收發(fā)器PCA82C250兩部分構(gòu)成。圖3是一種CAN模塊接口電路原理圖。在電路的硬件設(shè)計(jì)中，CAN收發(fā)器PCA82C250的原邊與MCU的CAN模塊接口相連，副邊連接到總線電纜中?？紤]到增強(qiáng)連接總線電纜的數(shù)字信號(hào)的抗干擾性能，對(duì)收發(fā)器CANH1和CANL1管腳進(jìn)行RC濾波，如圖3R50、R51和C25構(gòu)成濾波電路。RXD管腳串聯(lián)一個(gè)1 kΩ的電阻，起到限流保護(hù)作用。RS管腳用于選擇工作模式(高速模式、斜率模式、準(zhǔn)備模式)，考慮到電磁兼容問題，在本系統(tǒng)中電阻R52選用20 kΩ，則收發(fā)器處于斜率控制模式。

圖3 CAN模塊接口電路原理圖

3 控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

四余度發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由中心控制器軟件設(shè)計(jì)和分控制器軟件設(shè)計(jì)組成，其中每一部分軟件又是由主程序和中斷程序組成。

中心控制器在整個(gè)系統(tǒng)中作為一個(gè)橋梁，一方面要與上位機(jī)進(jìn)行串行通信，另一方面要完成對(duì)四個(gè)分控制器的CAN通信，其軟件流程圖如圖4所示。

圖4 中心控制器軟件流程圖

圖4中將各部分程序進(jìn)行模塊化，主程序主要完成系統(tǒng)初始化，其中包括端口方向初始化、定時(shí)器初始化、串口通信(UART)初始化、CAN模塊初始化，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、看門狗等進(jìn)行配置。系統(tǒng)配置完成后，需要在程序中斷中進(jìn)行設(shè)置，從而調(diào)用相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)控制策略。其中定時(shí)器中斷是每隔1 ms進(jìn)行一次，在定時(shí)器中斷中將完成向四個(gè)分控制器下傳數(shù)據(jù)包和向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)包的功能。

中央控制器的接收數(shù)據(jù)(包括上位機(jī)下傳的數(shù)據(jù)和分控制器上傳的數(shù)據(jù))是被動(dòng)的，即當(dāng)UART模塊和CAN模塊檢測(cè)到有數(shù)據(jù)向中央控制器發(fā)送時(shí)，則觸發(fā)中央控制器的UART接收中斷和CAN接收中斷，在相應(yīng)中斷程序中，根據(jù)其數(shù)據(jù)通信協(xié)議對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。這樣中央控制器才能順利完成其樞紐的任務(wù)。

分控制器的通信部分主要由CAN發(fā)送和CAN接收兩部分組成。在CAN接收中斷中將收到的數(shù)據(jù)指令進(jìn)行處理，并根據(jù)相應(yīng)的通信協(xié)議作用PWM模塊，從而控制發(fā)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的油門位置控制，最終控制柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速。其軟件流程圖如圖5所示。

圖5 某分控制器軟件流程圖

4 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中控制部分實(shí)際由五個(gè)控制器組成，實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 控制器實(shí)驗(yàn)連接圖

對(duì)單臺(tái)發(fā)電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)時(shí)上位機(jī)波形如圖7所示。

圖7 單臺(tái)發(fā)電機(jī)空載時(shí)上位機(jī)波形

系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)使用，完全滿足設(shè)計(jì)的需要，在突加、卸載實(shí)驗(yàn)中，圖8為突然加載(10.627 s)和突然卸載(13.124 s)上位機(jī)得到的波形，分析結(jié)果如表1所示。

圖8 突加卸載時(shí)上位機(jī)波形圖

表1 加卸負(fù)載時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)波形可見，系統(tǒng)加、卸載工作正常，有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。在突加、卸載時(shí)，輸出電壓經(jīng)過短暫的跳變后迅速達(dá)到穩(wěn)定。四余度發(fā)電機(jī)組并聯(lián)供電具有較好的故障容錯(cuò)能力，能達(dá)到不中斷供電的效果，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié) 語

本文通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的伺服油門進(jìn)行控制，相較于一般余度控制技術(shù)，本文提出的控制方法具有方便可靠、實(shí)時(shí)性高、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的可靠性以及通信的效率。通過對(duì)四余度發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，證明了本文設(shè)計(jì)的四余度發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)伺服性能比較好，一定程度上發(fā)揮了多余度技術(shù)的高可靠性。

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