采用DSP和CAN的電機(jī)同步控制系統(tǒng)與通信

0 引言
傳統(tǒng)的多電機(jī)控制系統(tǒng)適用于要求不高、相對(duì)簡(jiǎn)單、電機(jī)分布比較集中的場(chǎng)合。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制中實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)展性、傳輸距離、傳輸速度等要求較高的場(chǎng)合，需要采用高傳輸速度、遠(yuǎn)傳輸距離、可靠性較高的通信方式和處理速度快、功能強(qiáng)大、能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)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(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它屬于現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)，在分布式測(cè)試和工業(yè)控制等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。
數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種高速專用微處理器，TMS320F2407A運(yùn)算功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)，且?guī)AN總線接口。它專門(mén)處理以運(yùn)算為主且不允許延遲的實(shí)時(shí)信號(hào)，可高效進(jìn)行快速傅里葉變換運(yùn)算。數(shù)字信號(hào)處理器的精度高，可靠性好，其先進(jìn)的品質(zhì)與性能可為電機(jī)控制提供高效可靠的平臺(tái)[2]。
鑒于CAN總線的通信優(yōu)勢(shì)和DSP的強(qiáng)大處理能力，利用二者完全可以設(shè)計(jì)完成要求較高的多電機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這種功能強(qiáng)大、智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度較高的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)滿足了工藝復(fù)雜、要求較高的多電機(jī)控制，它正在興起并成為多電機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)
基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的新型多電機(jī)同步控制系統(tǒng)，采用總線式多主多從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)中不僅有工程師層還包括管理層即多個(gè)主節(jié)點(diǎn)時(shí)，主主通信將實(shí)現(xiàn)不同功能主節(jié)點(diǎn)的交流（如圖1）。整個(gè)控制系統(tǒng)由三部分組成:CAN總線、上級(jí)PC機(jī)、DSP控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PC 機(jī)作為監(jiān)控主機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與CAN 總線之間的通信;各從節(jié)點(diǎn)通過(guò)DSP完成數(shù)據(jù)的收發(fā)和對(duì)交流電機(jī)的控制[4]。

主節(jié)點(diǎn)采用PC微機(jī)（或其他兼容機(jī)），通過(guò)PCI總線雙路智能CAN網(wǎng)卡（通信適配器）與CAN總線相連，進(jìn)行信息交換。CAN網(wǎng)卡電路共分為三大部分：由DS89C420微處理機(jī)、74LS373鎖存器、32KB的RAM 62256、32KB的EPROM 27256組成的主機(jī)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(diǎn)由兩部分構(gòu)成：電機(jī)控制板和功率驅(qū)動(dòng)板。從節(jié)點(diǎn)的基本框圖如圖2所示。電機(jī)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(qū)動(dòng)功率器件，A/D模塊用來(lái)把系統(tǒng)所需要的電流模擬量變換成數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)電流環(huán)反饋控制。磁場(chǎng)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(cè)量、反饋、保護(hù)三種功能，LEM模塊的輸出輸入到DSP的三路A/D轉(zhuǎn)換口，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，再進(jìn)行相應(yīng)的處理。光電碼盤(pán)把檢測(cè)信息反饋到DSP的正交編碼脈沖電路(QEP)，實(shí)現(xiàn)速度環(huán)反饋控制。當(dāng)LF2407A的QEP被使能(禁止捕獲功能)，定時(shí)器2對(duì)引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2、定時(shí)器4對(duì)引腳CAP4/QEP3和CAP5/QEP4上的脈沖數(shù)目和頻率分別計(jì)數(shù)，可得到電機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)速。功率驅(qū)動(dòng)板由整流濾波、IGBT驅(qū)動(dòng)、以及IGBT橋和反饋電路組成[5]。?
?

2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)
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(jí)的分布實(shí)時(shí)控制。根據(jù)CAN總線技術(shù)規(guī)范CAN2.0A、CAN2.0B，本文設(shè)計(jì)了用戶通信協(xié)議，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都按此協(xié)議傳送信息。用戶通信協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)共10個(gè)字節(jié)（2個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)符、8個(gè)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(jí)，0為高優(yōu)先級(jí)，而剩余的優(yōu)先級(jí)由源地址決定，低地址優(yōu)先級(jí)高。
幀類型:100為單幀廣播；000為單幀點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。
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(diǎn)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)中兩個(gè)字節(jié)的內(nèi)容來(lái)確定被傳送的內(nèi)容。
物理變量序號(hào):0～255。
Data3～Data0:定義為一個(gè)物理變量數(shù)據(jù)，4字節(jié)長(zhǎng)整數(shù)，原碼表示。數(shù)據(jù)類型為整型、布爾型或浮點(diǎn)型。

2.3軟件實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)程序主要分為三部分：PC機(jī)人機(jī)交互程序、DS89C420作為CAN與PC機(jī)之間通信中介的程序、DSP作為CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和電機(jī)控制功能的程序。PC機(jī)人機(jī)交互軟件它以可視化界面顯示CAN網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)ID、控制命令、發(fā)送優(yōu)先級(jí)等。DS89C420的作用是將從CAN網(wǎng)絡(luò)上采集的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，并把PC機(jī)傳過(guò)來(lái)得數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)上，它實(shí)現(xiàn)的功能類似于協(xié)議轉(zhuǎn)換。DSP完成的功能包括：根據(jù)PC機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的指令控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，以及將電機(jī)的相電流、運(yùn)行速度等信息分別通過(guò)LF2407A的片上A/D轉(zhuǎn)換器、正交脈沖編碼電路等得到；對(duì)電機(jī)的控制通過(guò)LF2407A的事件管理器模塊EVA、EVB輸出具有適當(dāng)占空比的PWM脈沖給大功率IGBT管來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.3.1主主通信
本設(shè)計(jì)為基于CAN總線的多主多從通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主節(jié)點(diǎn)可以是工程師站，也可以是副工程師站或其它操作站，由于控制的需要，主節(jié)點(diǎn)之間需要傳送一些數(shù)據(jù)。主—主通信的軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵是掌握好CAN控制器的初始化設(shè)置例如ID的設(shè)置，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由于網(wǎng)卡具有接口函數(shù)庫(kù)及網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序，可以方便地進(jìn)行主—主通信。通信軟件已測(cè)試成功，通信界面采用VC編寫(xiě)，如圖4所示。

2.3.2主從通信
下面的程序是DSP平臺(tái)和上位機(jī)的通信，主節(jié)點(diǎn)CAN網(wǎng)卡中的CAN模塊初始化和發(fā)送子程序。調(diào)試過(guò)程中需要注意：通信節(jié)點(diǎn)的波特率要求一致；主從通信時(shí)要求CANMCR = 0x0480，使通信處于正常發(fā)送狀態(tài)；CANH與CANL之間連接終端負(fù)載電阻抗干擾。
void CANInit()
{? asm("?SETC?INTM ");??? /* 禁止中斷 */?
IMR = IMR | 0x011;???? //使能CAN中斷
CANIMR = 0;??? //屏蔽所有中斷
CANIFR = 0xFFFF;?? //清除已掛號(hào)中斷
CANMCR = 0x0480;?? //CAN處于正常工作狀態(tài)
CANMCR = CANMCR | 0x1000;???//設(shè)置CCR,改變配置請(qǐng)求;
While ( (CANGSR & 0x0010) == 0 ){} ??//設(shè)置CCE,更改配置啟用;
? CANBCR2 = 0x027;???? //設(shè)置波特率50Kbps
CANBCR1 = 0x005E;
CANMCR = CANMCR & 0xEFFF;??//清除CCR位;
While ( (CANGSR & 0x0010) == 1 ){}?? ?//清除CCE，禁止對(duì)配置寄存器進(jìn)行操作;
CANMailBoxInit();?? //初始化郵箱
asm("?CLRC?INTM ");?/* 開(kāi)中斷 */?????
CANTCR =0x0080;???//發(fā)送5號(hào)郵箱內(nèi)容;?? ?
While ( (CANTCR & 0x8000) == 0 ){}??//發(fā)送成功?? }??
3 同步措施及實(shí)現(xiàn)
在對(duì)多電機(jī)的同步控制中，解決電機(jī)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題十分重要。CAN總線具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能。雖然CAN總線的信息存取利用了廣播式的存取工作方式，信息可以在任何時(shí)候由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送到空閑的總線上，然后根據(jù)信息標(biāo)文符決定是否讀取信息包中的數(shù)據(jù)以判斷是否使用這一信息，但是由于各電機(jī)的實(shí)際情況不同，即使命令同時(shí)傳送到節(jié)點(diǎn)，實(shí)際命令的實(shí)施時(shí)間也不能得到保證。筆者認(rèn)為僅依靠CAN總線的廣播數(shù)據(jù)功能實(shí)現(xiàn)同步控制會(huì)產(chǎn)生誤差，可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)誤差較小的同步控制。采用兩次命令的方式，首先由主站給需要同步的從站用廣播的方式發(fā)送準(zhǔn)備命令和同步速度，主站確認(rèn)收到準(zhǔn)備好命令之后發(fā)送第二次具體的命令即啟動(dòng)同步命令。這樣可以使誤差相對(duì)減少。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文研究了基于CAN總線的多電機(jī)同步控制網(wǎng)絡(luò)的組成和通信實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)有效的將DSP的高速處理能力和CAN(Controller Area Network)總線的高性能、高可靠性結(jié)合起來(lái)，具有很高的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。以上代碼全部調(diào)試通過(guò)，實(shí)驗(yàn)證明適用于多臺(tái)電機(jī)串行通信的實(shí)際應(yīng)用以及可以根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和移植。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：電機(jī)同步控制措施的提出。