基于CANopen 總線(xiàn)的變頻器通信控制方案

曹烈銘

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 引言

CAN 通信總線(xiàn)最開(kāi)始是基于車(chē)載系統(tǒng)所開(kāi)發(fā)，其主要優(yōu)勢(shì)包括錯(cuò)誤檢測(cè)、總線(xiàn)分配系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換可靠等，目前已經(jīng)在醫(yī)療設(shè)備、運(yùn)輸系統(tǒng)、移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域中使用。CANopen 為CIA 協(xié)會(huì)比CAN 總線(xiàn)更加充分的標(biāo)準(zhǔn)，作為應(yīng)用到工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議，對(duì)通信可靠性和實(shí)時(shí)性比較嚴(yán)格的PLC 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，具有良好適用性。CANopen 協(xié)議被廣泛應(yīng)用到PLC 變頻集成控制系統(tǒng)中，對(duì)基于CANopen 總線(xiàn)的變頻器通信控制具有實(shí)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(xiàn)總線(xiàn)，信號(hào)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(gòu)成。

圖1 CANopen 協(xié)議物理層構(gòu)成

CAN 只是對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層與物理層進(jìn)行定義，沒(méi)有規(guī)定應(yīng)用層，自身并不完整，需要高層協(xié)議對(duì)CAN 報(bào)文中11/29 位標(biāo)識(shí)符、8 字節(jié)數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行定義，CAL 就承擔(dān)此功能。CANopen 是基于CAL 所開(kāi)發(fā)，利用CAL 通信與服務(wù)協(xié)議子集提供分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方案。CANopen 建議使用最高優(yōu)先級(jí)COB-ID實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)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(shí)現(xiàn)控制，此模式是對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)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(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，可對(duì)電機(jī)設(shè)置多個(gè)固定轉(zhuǎn)速；③利用模擬量輸入端輸入0～10 V 或者4～20 mA 的信號(hào)來(lái)改變電機(jī)運(yùn)行頻率，在此運(yùn)轉(zhuǎn)模式中，利用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)極控制[3]。

2 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 為系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)，基于WinXP 與DSP 系統(tǒng)中CCS軟件創(chuàng)建上位機(jī)控制平臺(tái)并且開(kāi)放。DSP 在CAN 通信過(guò)程中為主節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)為變頻器，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。變頻器與DSP利用CAN 應(yīng)用層協(xié)議CANopen 進(jìn)行通信，DSP 與CCS 利用仿真器燒寫(xiě)程序與在線(xiàn)調(diào)試。

圖2 系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)

本文實(shí)驗(yàn)使用CAN_L 與CAN_H 兩條信號(hào)線(xiàn)，圖3 為具體的連線(xiàn)結(jié)構(gòu)。DSP 開(kāi)發(fā)軟件CCS 利用仿真器和DSP 中JTAG 口相互連接，開(kāi)發(fā)DSP 程序并且在線(xiàn)調(diào)試、燒寫(xiě)，通過(guò)電纜連接異步電機(jī)和變頻器[4]。

圖3 具體的連線(xiàn)結(jié)構(gòu)

2.2 通信電路設(shè)計(jì)

控制電路指的是實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)供電，將控制信號(hào)回路提供給主電路、控制電路（電壓）、運(yùn)算電路、頻率、電流檢測(cè)電路、主電路電壓、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路等。在設(shè)計(jì)控制電路過(guò)程中，添加速度檢測(cè)電路，使速度指令增加，能夠提高異步電機(jī)速度閉環(huán)控制的精準(zhǔn)性：

（1）運(yùn)算電路。實(shí)現(xiàn)外部扭矩、速度、檢測(cè)電路電流、電壓等信號(hào)、指令的對(duì)比，決定逆變器輸出電壓、頻率等。

（2）監(jiān)測(cè)電流、電壓電路。實(shí)現(xiàn)主回路電壓、電流的隔離檢測(cè)。

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

（4）驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)主電路期間電路，能夠隔離控制電路，從而實(shí)現(xiàn)主電路期間的導(dǎo)通與關(guān)斷。

（5）輸入輸出電路。為了實(shí)現(xiàn)變頻機(jī)的人機(jī)交互，變頻器具備多種輸入信號(hào)和內(nèi)部參數(shù)輸出信號(hào)，比如運(yùn)行、多段速度運(yùn)行、電流、保護(hù)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)、頻率等。

（6）速度檢測(cè)電路。在異步電機(jī)軸中安裝速度檢測(cè)器，信號(hào)指的是速度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算回路的輸出，電機(jī)利用指令、運(yùn)算通過(guò)速度指令進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

3 CAN 總線(xiàn)控制系統(tǒng)軟件

在CAN 控制器使用TMS320LF2407A 之前，要設(shè)置其內(nèi)部寄存器，比如設(shè)置定位器與郵箱的初始化，首先要設(shè)置對(duì)位定時(shí)器。其中的寄存器有2 個(gè)，其關(guān)系著CAN 控制器的同步跳轉(zhuǎn)寬度、通信波特率、重同步方式和采樣系數(shù)，設(shè)置此參數(shù)要與KEB中設(shè)置相同才能夠正常通信，配置位定時(shí)器的步驟為：①改變?cè)O(shè)置MCR 寄存器中的配置請(qǐng)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(jìn)行下一步；③設(shè)置2 個(gè)寄存器，包括采樣次數(shù)、正確波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度；④清除MCR 寄存器，使其進(jìn)行改變，表示為0，CCR=0；⑤設(shè)置GSR 寄存器中的配置進(jìn)使能位改變，表示為0，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是否改變CCE 為0，如果為0，就要實(shí)現(xiàn)配置之后進(jìn)入到正常工作模式中[6]。

對(duì)具備 CAN 控制器的通信進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，對(duì)TMS320LF2407A 的CAN 控制器郵箱2 配置接受方式，對(duì)郵箱3配置發(fā)送方式。全部利用標(biāo)準(zhǔn)化信息幀格式，通過(guò)查詢(xún)方式發(fā)送信息，通過(guò)中斷方式接收信息。郵箱2 通過(guò)低中斷優(yōu)先級(jí)，設(shè)置信息傳輸過(guò)程中的波特率為1000 Kbps。

利用CANopen 協(xié)議控制KEB，就是利用SD0 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)字典讀寫(xiě)，在檢測(cè)和查詢(xún)對(duì)象或者設(shè)備信息的過(guò)程中，利用SDO讀取數(shù)據(jù)字典中的對(duì)象。在發(fā)送設(shè)備控制命令過(guò)程中，利用SDO 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)字典對(duì)象數(shù)據(jù)的寫(xiě)入[7]。

在CCS 軟件中Watchwindows 窗口實(shí)現(xiàn)主界面的運(yùn)行，在狀態(tài)值設(shè)置為3 時(shí)，表示變頻器已經(jīng)進(jìn)行到通信協(xié)議的運(yùn)行階段，將上位機(jī)給定值、顯示值設(shè)置成為標(biāo)幺值，實(shí)際速度的比例和速度的給定值分別設(shè)置為20 000、9000，之后設(shè)置電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，計(jì)算得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為675 r/min。功率與轉(zhuǎn)矩顯示值為27 和593，通過(guò)比例關(guān)系得出實(shí)際值，也就是額定功率2.7%，額定轉(zhuǎn)矩5.93%。在運(yùn)行的誤差范圍中，變頻器顯示值和換算值都滿(mǎn)足實(shí)際需求，表示通信結(jié)果正確[8]。Watchwindows 界面詳見(jiàn)圖4。

圖4 Watchwindows 界面

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)，使用變頻器通信控制系統(tǒng)為各個(gè)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(yīng)用到企業(yè)發(fā)展中，可促進(jìn)我國(guó)工業(yè)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展。