基于CANopen 總線的變頻器通信控制方案

曹烈銘

（西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 引言

CAN 通信總線最開始是基于車載系統(tǒng)所開發(fā)，其主要優(yōu)勢包括錯誤檢測、總線分配系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換可靠等，目前已經(jīng)在醫(yī)療設備、運輸系統(tǒng)、移動設備等領域中使用。CANopen 為CIA 協(xié)會比CAN 總線更加充分的標準，作為應用到工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的標準現(xiàn)場協(xié)議，對通信可靠性和實時性比較嚴格的PLC 工業(yè)現(xiàn)場，具有良好適用性。CANopen 協(xié)議被廣泛應用到PLC 變頻集成控制系統(tǒng)中，對基于CANopen 總線的變頻器通信控制具有實際意義。

1 CANopen 協(xié)議的描述和變頻器通信控制

CANopen 協(xié)議物理層利用基于差分方式控制的兩線總線，信號為can-low 與can-high 之間的電壓差[1]。圖1 為CANopen協(xié)議物理層的構成。

圖1 CANopen 協(xié)議物理層構成

CAN 只是對數(shù)據(jù)鏈路層與物理層進行定義，沒有規(guī)定應用層，自身并不完整，需要高層協(xié)議對CAN 報文中11/29 位標識符、8 字節(jié)數(shù)據(jù)應用進行定義，CAL 就承擔此功能。CANopen 是基于CAL 所開發(fā)，利用CAL 通信與服務協(xié)議子集提供分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)的方案。CANopen 建議使用最高優(yōu)先級COB-ID實現(xiàn)同步信號正常傳輸[2]。

變頻器使用較為廣泛，其控制方法大致可以分為3 種：①利用變頻器主操作面板實現(xiàn)控制，此模式是對電動機轉速不會頻繁改變的本地變頻器所分析的；②利用控制端子控制變頻器，此模式利用控制系統(tǒng)實現(xiàn)電機控制，可對電機設置多個固定轉速；③利用模擬量輸入端輸入0～10 V 或者4～20 mA 的信號來改變電機運行頻率，在此運轉模式中，利用控制系統(tǒng)實現(xiàn)電機轉速的無極控制[3]。

2 通信系統(tǒng)的設計

2.1 通信結構設計

圖2 為系統(tǒng)的通信結構，基于WinXP 與DSP 系統(tǒng)中CCS軟件創(chuàng)建上位機控制平臺并且開放。DSP 在CAN 通信過程中為主節(jié)點，從節(jié)點為變頻器，從而實現(xiàn)電動機運行。變頻器與DSP利用CAN 應用層協(xié)議CANopen 進行通信，DSP 與CCS 利用仿真器燒寫程序與在線調(diào)試。

圖2 系統(tǒng)的通信結構

本文實驗使用CAN_L 與CAN_H 兩條信號線，圖3 為具體的連線結構。DSP 開發(fā)軟件CCS 利用仿真器和DSP 中JTAG 口相互連接，開發(fā)DSP 程序并且在線調(diào)試、燒寫，通過電纜連接異步電機和變頻器[4]。

圖3 具體的連線結構

2.2 通信電路設計

控制電路指的是實現(xiàn)異步電機供電，將控制信號回路提供給主電路、控制電路（電壓）、運算電路、頻率、電流檢測電路、主電路電壓、驅(qū)動電路和保護電路等。在設計控制電路過程中，添加速度檢測電路，使速度指令增加，能夠提高異步電機速度閉環(huán)控制的精準性：

（1）運算電路。實現(xiàn)外部扭矩、速度、檢測電路電流、電壓等信號、指令的對比，決定逆變器輸出電壓、頻率等。

（2）監(jiān)測電流、電壓電路。實現(xiàn)主回路電壓、電流的隔離檢測。

（3）保護電路。有效檢測主電路中的電壓和電流，在電路出現(xiàn)過電壓或過載的情況時，避免損傷到逆變器和電機，停止逆變器工作，或者抑制電流、電壓值。

（4）驅(qū)動電路。驅(qū)動主電路期間電路，能夠隔離控制電路，從而實現(xiàn)主電路期間的導通與關斷。

（5）輸入輸出電路。為了實現(xiàn)變頻機的人機交互，變頻器具備多種輸入信號和內(nèi)部參數(shù)輸出信號，比如運行、多段速度運行、電流、保護動作驅(qū)動、頻率等。

（6）速度檢測電路。在異步電機軸中安裝速度檢測器，信號指的是速度信號，實現(xiàn)運算回路的輸出，電機利用指令、運算通過速度指令進行運轉[5]。

3 CAN 總線控制系統(tǒng)軟件

在CAN 控制器使用TMS320LF2407A 之前，要設置其內(nèi)部寄存器，比如設置定位器與郵箱的初始化，首先要設置對位定時器。其中的寄存器有2 個，其關系著CAN 控制器的同步跳轉寬度、通信波特率、重同步方式和采樣系數(shù)，設置此參數(shù)要與KEB中設置相同才能夠正常通信，配置位定時器的步驟為：①改變設置MCR 寄存器中的配置請求位，表示為1，CCR=1；②判斷GSR寄存器中改變配置是否能夠使能位為1，CCE 是否為1，假如為1 就進行下一步；③設置2 個寄存器，包括采樣次數(shù)、正確波特率、同步跳轉寬度；④清除MCR 寄存器，使其進行改變，表示為0，CCR=0；⑤設置GSR 寄存器中的配置進使能位改變，表示為0，簡單來說是否改變CCE 為0，如果為0，就要實現(xiàn)配置之后進入到正常工作模式中[6]。

對具備 CAN 控制器的通信進行軟件設計，對TMS320LF2407A 的CAN 控制器郵箱2 配置接受方式，對郵箱3配置發(fā)送方式。全部利用標準化信息幀格式，通過查詢方式發(fā)送信息，通過中斷方式接收信息。郵箱2 通過低中斷優(yōu)先級，設置信息傳輸過程中的波特率為1000 Kbps。

利用CANopen 協(xié)議控制KEB，就是利用SD0 實現(xiàn)數(shù)據(jù)字典讀寫，在檢測和查詢對象或者設備信息的過程中，利用SDO讀取數(shù)據(jù)字典中的對象。在發(fā)送設備控制命令過程中，利用SDO 實現(xiàn)數(shù)據(jù)字典對象數(shù)據(jù)的寫入[7]。

在CCS 軟件中Watchwindows 窗口實現(xiàn)主界面的運行，在狀態(tài)值設置為3 時，表示變頻器已經(jīng)進行到通信協(xié)議的運行階段，將上位機給定值、顯示值設置成為標幺值，實際速度的比例和速度的給定值分別設置為20 000、9000，之后設置電機額定轉速為1500 r/min，計算得到電機的實際轉速為675 r/min。功率與轉矩顯示值為27 和593，通過比例關系得出實際值，也就是額定功率2.7%，額定轉矩5.93%。在運行的誤差范圍中，變頻器顯示值和換算值都滿足實際需求，表示通信結果正確[8]。Watchwindows 界面詳見圖4。

圖4 Watchwindows 界面

4 結束語

對于國家工業(yè)生產(chǎn)，使用變頻器通信控制系統(tǒng)為各個企業(yè)發(fā)展注入了全新的活力，具有重要作用。將變頻器通信控制系統(tǒng)廣泛應用到企業(yè)發(fā)展中，可促進我國工業(yè)建設的持續(xù)發(fā)展。