基于DSP和CAN的電機同步控制系統(tǒng)與通信
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0 引言
傳統(tǒng)的多電機控制系統(tǒng)適用于要求不高、相對簡單、電機分布比較集中的場合。而對于運動控制中實時性、可靠性、可擴展性、傳輸距離、傳輸速度等要求較高的場合，需要采用高傳輸速度、遠傳輸距離、可靠性較高的通信方式和處理速度快、功能強大、能夠實現(xiàn)復雜控制策略的處理器。
控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡。它屬于現(xiàn)場總線范疇，與現(xiàn)有的其它總線相比，它是一種分散式、數(shù)字化、雙向、多站點的通信系統(tǒng)，具有速率高、可靠性好、智能化高、連接方便等諸多優(yōu)點，在分布式測試和工業(yè)控制等相關領域的應用越來越廣泛[1]。
數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種高速專用微處理器，TMS320F2407A運算功能強大，能實現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)，且?guī)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/CAN">CAN總線接口。它專門處理以運算為主且不允許延遲的實時信號，可高效進行快速傅里葉變換運算。數(shù)字信號處理器的精度高，可靠性好，其先進的品質與性能可為電機控制提供高效可靠的平臺[2]。
鑒于CAN總線的通信優(yōu)勢和DSP的強大處理能力，利用二者完全可以設計完成要求較高的多電機控制網(wǎng)絡系統(tǒng)。這種功能強大、智能化和網(wǎng)絡化程度較高的網(wǎng)絡系統(tǒng)滿足了工藝復雜、要求較高的多電機控制，它正在興起并成為多電機控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[3]。
1 系統(tǒng)結構及其實現(xiàn)
基于CAN總線網(wǎng)絡的新型多電機同步控制系統(tǒng)，采用總線式多主多從網(wǎng)絡拓撲結構。當系統(tǒng)中不僅有工程師層還包括管理層即多個主節(jié)點時，主主通信將實現(xiàn)不同功能主節(jié)點的交流（如圖1）。整個控制系統(tǒng)由三部分組成:CAN總線、上級PC機、DSP控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PC 機作為監(jiān)控主機,實現(xiàn)對各節(jié)點的監(jiān)控和管理;CAN 總線接口卡完成CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,實現(xiàn)PC 機與CAN 總線之間的通信;各從節(jié)點通過DSP完成數(shù)據(jù)的收發(fā)和對交流電機的控制[4]。
主節(jié)點采用PC微機（或其他兼容機），通過PCI總線雙路智能CAN網(wǎng)卡（通信適配器）與CAN總線相連，進行信息交換。CAN網(wǎng)卡電路共分為三大部分：由DS89C420微處理機、74LS373鎖存器、32KB的RAM 62256、32KB的EPROM 27256組成的主機部分；雙口RAMIDT7005S35PF及其控制電路；由SJA1000、光電隔離電路、82C250組成的CAN控制器和CAN總線接口電路。
從節(jié)點由兩部分構成：電機控制板和功率驅動板。從節(jié)點的基本框圖如圖2所示。電機控制板以TMS320LF2407A為核心，外圍采用各功能模塊。其中，PWM模塊用于驅動功率器件，A/D模塊用來把系統(tǒng)所需要的電流模擬量變換成數(shù)字量，實現(xiàn)電流環(huán)反饋控制。磁場平衡式霍爾電流傳感器(LEM模塊)把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起，具有測量、反饋、保護三種功能，LEM模塊的輸出輸入到DSP的三路A/D轉換口，轉換成數(shù)字信號后，再進行相應的處理。光電碼盤把檢測信息反饋到DSP的正交編碼脈沖電路(QEP)，實現(xiàn)速度環(huán)反饋控制。當LF2407A的QEP被使能(禁止捕獲功能)，定時器2對引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2、定時器4對引腳CAP4/QEP3和CAP5/QEP4上的脈沖數(shù)目和頻率分別計數(shù)，可得到電機的角位移和轉速。功率驅動板由整流濾波、IGBT驅動、以及IGBT橋和反饋電路組成[5]。
2 軟件設計
2.1 CAN 總線網(wǎng)絡通信協(xié)議設計
CAN 總線采用一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議,它能有效地支持具有較高安全等級的分布實時控制。根據(jù)CAN總線技術規(guī)范CAN2.0A、CAN2.0B，本文設計了用戶通信協(xié)議，各個節(jié)點都按此協(xié)議傳送信息。用戶通信協(xié)議的幀結構共10個字節(jié)（2個字節(jié)標識符、8個字節(jié)數(shù)據(jù)和變量），其定義如圖3所示。
PRI:1為低優(yōu)先級，0為高優(yōu)先級，而剩余的優(yōu)先級由源地址決定，低地址優(yōu)先級高。
幀類型:100為單幀廣播；000為單幀點對點。
命令或物理變量名:cmd0、cmd1的功能定義有很多，表1僅給出了幾種典型的定義。節(jié)點根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)中兩個字節(jié)的內容來確定被傳送的內容。
物理變量序號:0～255。
Data3～Data0:定義為一個物理變量數(shù)據(jù)，4字節(jié)長整數(shù)，原碼表示。數(shù)據(jù)類型為整型、布爾型或浮點型。
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