摘要：设计并实现了一种基于CAN总线的双通道冗余无刷直流电动机驱动控制系统，该系统以lIMS320心812为控制器，利用cAN总线实现双机通讯，给出了实现该控制系统的软件控制策略及硬件设计方案。实验表明该系统具有良好的控制性能及动态特性。
    关键词：cAN总线；双通道；无刷直流电动机；冗余

    O引  言

    cAN是controller Area Nemork的缩写，即控制器局域网络，属于工业现场总线范畴。由于其****的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业工程监控设备的互连，cAN总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。
    在一些可靠性要求高的场合，例如航海、航天及航空等高精尖领域，单余度的电机驱动控制系统已经无法达到要求。为进一步提高可靠性，将冗余技术应用到无刷直流电动机的驱动系统上，通过cAN总线实现双机的通信与人机交互，从而大大提高了驱动系统的可靠性。本系统采用TMs320F2812芯片作为微控制器，充分利用该芯片的数宁信号处理能力及事件管理器功能，没计了基于cAN总线的双通道冗余无刷直流电动机控制系统。经测试表明，系统的可靠性得到提高，满足控制要求。
    l系统硬件设计基于cAN总线的双通道冗余无刷直流电动机控制系统的总体设计框图如图1所示，它主要由外部信息采集单元、双通道DsP模块、应用处理及其输出单元等组成。
    双余度控制单元的控制器选用32位定点DsPTMs320F2812。本系统包含两个微控制器，DsP—Master和DSP～slave互为热备份，两个DSP通过cAN总线及I／O口进行控制信息交换及数据通信。
    两个DsP分别与收发模块A、收发模块B相连，这两个通道与外部数据或控制总线是相连的，即共享一个外部接L=J，通道控制逻辑使同一时刻只能有一个通道打开，保证系统工作的稳定性。其中DsP—Master是控制逻辑的主控制机，在正常工作的情况下由它控制着相应通道的通断。每个DSP都有自己的EEPROM存储器，用于存储系统的各种即时信息，并通过cAN总线在双机间进行传输。控制板工作时采集传感器及外部的控制信息，通过DsP运算处理后通过相应的通道把控制信息输出到相应控制模块，控制相应设备的动作。
    1．1功率及功率驱动单元星形
三相六状态是本系统采用的无刷直流电动机的运行方式，并采用Dc—Ac三相全桥式的功率逆变电路，其中故障保护芯片采用国际整流器公司的IRFP260N，其Vss****耐压值为200 V，****In为50 A。根据系统设计要求，系统功率开关管的驱动选用IR公司的功率骆动芯片IR2136S，因该功率驱动芯片为低有效输入，所以在DsP的PwM输出信号后加一六反相器74Hc04，设计的功率驱动电路如图2所示。
    1．2相电流检测
单元系统的每个通道实时检测其中任意两相流过的相电流。如图3所示，采用高精密低阻值的电流采样电阻和隔离运放HcPL一7840将采集到的电流信号转换为O～3．3 V之间波动的模拟电压信号，输入DSP中的A／D模块，转换为数字信号。然后与给定的参考电流值比较，共同控制PwM波的占空比。
    由n=6Q／f可以得出，****转速对应PwM****占p空比，其转速与PwM占空比的关系：式中：TOP为计数器的计数上限值；OCRx为占空比；f为电源频率；nmax为****转速；p为转子磁极对数。
    1．3故障保护与通道切换电路
TMS320F2812 DSP的事件管理器分为EVA和EVB，各自提供了对应的外部中断PDPINTA和PD—PINTB作为外部保护中断，实现对各对应通道的故障保护。如图4所示，分别将各通道的过流信号、过压信号、欠压信号及过温信号等相“与”，分别输入到DSF’对应功率保护中断引脚PDPINT(分为PD—PINTA和PDPJNTB、。当系统运行在单通道模式时，假使该通道出现故障，中断程序PDPINT会自动切断该通道PwM波输出，与此同时起动另一事件管理器PwM波的输出；当系统运行在双通道运行模式时，当其中任意一个通道发生故障时，系统自动切断该通道的PwM波的输出，而另一通道工作不受影响。通过这种方式不但可以实现对系统的保护，而且不影响系统整体的正常工作。
    1．4 cAN总线通信单元
如图5所示，采用PHILIPS公司的SJAl000控制器作为cAN控制器，采用PcA82c250作为cAN控制器接口。SJAl000控制器遵循cAN2．0B协议，完全兼容PCA82C250，支持29位标识符模式，接受64字节的缓冲区，通过验收屏蔽寄存器和验收代码的标准或扩展帧进行单路／两路接收过滤波，对每一个cAN总线错误中断可以进行错误仲裁的特定位丢失中断，具有较强的通讯能力；PcA82C250是一个cAN控制器和物理总线接口，它可以提供总线的差动发送能力和cAN控制器的差分接收能力。
    DSP管理cAN总线通信的模式分为发送数据(包括数据帧和远程帧)和接收数据(包括数据帧和远程帧)。当节点需要将数据传送到其他节点时，DSP将需要发送的数据字段的数据场和描述场，按照规定的格式发送到cAN总线上，总线上其它的节点和操作平台根据先前规定的验收屏蔽码和验收码进行判断是否接收该数据。当cAN总线的数据发送到其他节点，如果它的描述符不能通过验收滤波器，cAN控制器是不能验收该数据；如果通过验收滤波器，cAN总线上的描述场和数据场则按次序存入空缓存器，并向DsP发送中断请求，DSP则响应中断，把cAN缓存器中数据读出，通信结构框图如图6所示。
    2系统软件设计
系统采用双闭环控制，其控制原理框图如图7所示，图中控制部分由DSP’实现。外环为速度环，采用PI控制算法；内环为电流环，采用PID增量式控制算法。
    实测速度V(k)与给定速度V相比较，得速度误差E(k)。E(k)经P1运算得到参考电流值，经电流限幅后送入下一环节，即电流环环节。参考电流值和电流反馈值相比较，得到电流环的误差输入值e(k)，该误差值经过P1D运算，得到调节后的PwM波。
    2．1转速调节环节电流环的输入Iref就是转速环的输出，由反馈的速度信号Vf(k)与给定速度V相比较后得到速度误差E(k)，再通过PI控制算法运算得到新的参考电流：
    Iref=Iref(K-1)+Kps[E(k)一E(k一1)]+KIsE(k)式中：Iref为速度环节的输出；Kps为速度环节的比例系数；KIS为速度环节的积分系数，TS为速度环节采样周期；E(k)为速度误差。
    2．2电流调节环节电流调节进程就是需要的PWM信号产生进程，即占空比的调节进程。系统通过调节PwM波的宽度从而调节电流平均值，而PWM波宽度的调节则是通过调节DSP事件管理器的比较寄存器中的比较值cOMF。来实现的。比较值c()MP为电流环的输出，cOMP越大，PwM波占空比也就越大。
    2．3 cAN总线通信环节系统发送数据时将数据发送到cAN总线上；接收数据采用中断方式，当cAN控制器接收到数据后向微控制器发出中断响应信号，微控制器在中断程序中将接收到的数据读人。基于cAN总线的双机诵信流程如图8所示。
    3实验验证设计完成的基于cAN总线的双通道冗余无刷直流电动机控制系统如图9所示，它主要包括控制单元、驱动单元、无刷直流电动机及仿真器等结构。
    实验对象的主要内容为供电电压72 V、空载转速6400 r／min、额定转矩0．8 N·m。
    图lO为电机在空载时，系统由双通道切换到单通道时的速度曲线变化，可以看出，切换过程中速度基本平稳．电机动态特性良好．图11为电机在双通道同时工作状态下，由静止加速到一定转速的速度曲线，后半段为控制器断电，电机速度瞬间下降的曲线。图12则是在单余度状态下测试得到的速度响应曲线。电机的起动过程为手动调节，即手动给定0～3．3 V电压输入信号，经DsP的AD模块处理后，控制PwM的占空比，起到控制速度的目的。在单通道运行时，人为将手动调节变缓，以便与双通道运行时进行比较。
    可见，系统的控制电路结构简单，易于调试和工程实现，单通道、双通道及通道切换三种状态运行时速度曲线平滑，状态稳定。在双机通讯中cAN总线发送、接收数据误码率低，符合设计要求。
    4结语
    本文结合cAN总线技术特点，采用TMS320F2812 DSP芯片设计了一套基于cAN总线的双通道冗余无刷直流电动机控制系统，有效地将DSP处理数据的快速性和cAN总线数据通讯的高可靠性优点结合起来，在高速通信速率下有较强的抗干扰能力。经实际测试，双DSP之间可实现稳定通信，同时本系统还有可靠性高、实时性好等优点，非常适用于航空、航天及航海等对控制系统可靠性要求高的领域。

本文来源：中国步进电机网（www.b-motor.com）