CAN總線在多電機軟起動系統(tǒng)中的應用
1 引言
隨著國民經濟的飛速發(fā)展，交流電動機在工業(yè)生產中扮演了極為重要的角色，作為各行業(yè)中的主要拖動電機，應用更為廣泛。眾所周知，交流電動機在全壓起動時，起動電流達到額定電流的5～7倍，會對電網造成沖擊；起動轉矩約為額定轉矩的2倍，加劇機械結構磨損。為了解決交流電動機的起動問題，通常需要使用軟起動器進行軟起動。
當前軟起動器的監(jiān)控一般由各自獨立的監(jiān)控單元進行，無法對整個系統(tǒng)實現(xiàn)全面的控制和監(jiān)測。因此，建立一套數據通信系統(tǒng)將各軟起動監(jiān)控節(jié)點連接起來，組成完整的監(jiān)控網絡就顯得非常必要。
相對于RS-485等通信標準，CAN（Controller Area Network）總線以其具有的諸多優(yōu)點而在許多領域得到了應用。CAN總線是德國Bosch公司于上世紀80年代初推出的一種多主局域網，CAN通信網絡是一種全分散、全數字化的智能雙向、多變量、多點、多站的分布式通信體系，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通信速度塊、成本低等諸多優(yōu)點。 CAN總線是一種非常適合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的通信方式。本文介紹了一種基于CAN總線的交流電機軟起動通信系統(tǒng)。
2 CAN通信系統(tǒng)結構
交流電機軟起動通信系統(tǒng)由一臺工控機作為監(jiān)控主機，工控機通過CAN總線接口接入CAN總線，各節(jié)點是由單片機控制的具有CAN總線數據收發(fā)功能的交流電機軟起動器。系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 通信系統(tǒng)結構框圖
通信系統(tǒng)各部分提供了不同的功能。其中，工控機控制交流電機軟起動器的工作狀態(tài)，例如軟起動、軟停車等，顯示軟起動的各項參數如起動電壓、起動電流等。軟起動器按照工控機的命令控制交流電機軟起動，并采集電機起動電流、電壓等參數，通過CAN總線發(fā)往工控機。
3 CAN通信協(xié)議
本通信系統(tǒng)中，傳輸的數據長度不是固定的。工控機向軟起動器下達的控制命令只有幾個字節(jié)，而軟起動器向工控機上傳的軟起動實時數據一般有幾十個字節(jié)。因此 CAN通信協(xié)議需要有大數據量傳輸能力，又要快速高效。由于CAN通信采用短幀結構，每幀有效數據長度Z多為8個字節(jié)，在傳輸數據量較大時，就要將數據拆分為多個幀進行傳輸。如果將所有信息和數據都放在8個字節(jié)的數據場中，將會使傳輸幀中有效數據少，通信信息多，降低CAN總線通信效率。所以，本文采用了利用報文標識符中的仲裁場包含通信控制信息，數據場包含實際數據的方法，以提高通信效率。
本系統(tǒng)中，CAN通信采用CAN2.0B標準中帶29位報文標識符的擴展幀。報文標識符中包含緊急標記、目的地址、源地址、幀類型、幀號，其格式如表1所示。
其中緊急標記僅有1位，用來標記當前幀的優(yōu)先級，對于一般信息，該位置1，對于緊急信息（如三相電壓不平衡、過流、軟起動器組件故障等報警信號）該位置0，從而使其擁有高優(yōu)先級，盡快傳送到目的地。
目的地址共7位,指示該幀所要到達的目的地,可以是某一具體地址,也可以是廣播地址（主要用于工控機以廣播方式向各軟起動器傳送數據,如對時數據等）。
源地址共7位，指示該幀的來源地址。
幀類型有4位，說明了該幀的類型，如工控機控制命令、軟起動實時數據等。
幀號共8位，用來在多幀傳輸中標記該幀的序號。
每個CAN通信節(jié)點都有一個唯一的地址號，地址號使用7位二進制數表示。其中，優(yōu)先級Z高的地址分配給工控機，優(yōu)先級Z低的地址作為廣播方式的目的地址，其它地址依次分配給各軟起動器。
CAN節(jié)點采用雙濾波方式獲取本節(jié)點所需信息，兩個濾波器均采用7位有效數據，分別對應節(jié)點地址和廣播方式下的地址。這樣，就僅有發(fā)往該節(jié)點的幀和廣播幀能夠進入應用層進行處理，其它無關通信內容都被過濾掉，提高了系統(tǒng)運行效率。
工控機對軟起動器的控制命令由對應的控制命令代碼表示。主要的控制命令有：軟起動開始/停止，軟停車開始/停止，起動方式（階躍式、脈沖突跳式、恒流式）設置，起動時間設置等。有些控制命令帶有相關參數，如起動時間命令中時間長度。控制命令代碼和命令參數存放在數據場中。
4 軟起動器CAN通信硬件設計
軟起動器的CAN通信由P89V51RD2單片機、CAN控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器PCA82C250和光耦6N137組成，電路原理如圖2所示。
圖2 軟起動器CAN通信電路原理圖
SJA1000是一款獨立的CAN控制器，具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。PCA82C250為總線收發(fā)器，主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，實現(xiàn)熱保護等。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000通過高速光耦6N137與PCA82C250相連，這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。光耦兩側電源完全電氣隔離，隔離電源由小功率電源隔離模塊B0505提供。
5 軟起動器CAN通信程序設計
軟起動器上電后，首先進行自檢，自檢完成后向工控機發(fā)送自檢結果；若自檢成功，工控機向軟起動器發(fā)送軟起動初始化參數和“允許起動”命令，電機開始軟起動；軟起動過程中，軟起動器每隔100ms發(fā)送一次軟起動數據，包括三相電壓、三相電流、電機轉速等信息；電機運行完畢，工控機發(fā)送“軟停車開始”命令，軟起動器開始控制電機軟停車；當軟起動器出現(xiàn)故障時，工控機會收到故障報警信號，同時顯示故障原因。
軟起動器CAN通信程序主要包括三個部分：CAN節(jié)點的初始化，報文的發(fā)送和報文的接收。其中CAN節(jié)點初始化部分是關鍵，正確的初始化保證了報文發(fā)送和接收的正常工作。CAN初始化程序流程如圖3所示。
圖3 CAN初始化程序流程圖
報文發(fā)送時，只需將待發(fā)送的數據按照通信協(xié)議規(guī)定組合成一幀報文，送入發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動發(fā)送即可。其程序流程圖如圖4所示。
圖4 CAN報文發(fā)送程序流程圖
報文的接收過程中，首先要對諸如總線脫離、錯誤報警等情況進行判斷處理，然后讀取緩沖區(qū)內數據，Z后釋放緩沖區(qū)和相關寄存器，完成接收并轉入對數據的處理程序。其程序流程圖如圖5所示。
圖5 CAN報文接收程序流程圖
6 結束語
本文設計的是一個可靠、高效的交流電機軟起動通信系統(tǒng)，利用CAN總線技術，實現(xiàn)了電機軟起動遠程控制和監(jiān)測功能。該系統(tǒng)已成功應用于某水泵站電機軟起動系統(tǒng)中，實踐證明，該系統(tǒng)抗干擾能力強，實時性能好，運行穩(wěn)定，達到了設計要求。
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