基于DSP和CAN的電機同步控制系統與通信
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0 引言
傳統的多電機控制系統適用于要求不高、相對簡(jiǎn)單、電機分布比較集中的場(chǎng)合。而對于運動(dòng)控制中實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴展性、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(shí)現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(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。它屬于現場(chǎng)總線(xiàn)范疇，與現有的其它總線(xiàn)相比，它是一種分散式、數字化、雙向、多站點(diǎn)的通信系統，具有速率高、可靠性好、智能化高、連接方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在分布式測試和工業(yè)控制等相關(guān)領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛[1]。
數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種高速專(zhuān)用微處理器，TMS320F2407A運算功能強大，能實(shí)現高速輸入和高速率傳輸數據，且帶CAN總線(xiàn)接口。它專(zhuān)門(mén)處理以運算為主且不允許延遲的實(shí)時(shí)信號，可高效進(jìn)行快速傅里葉變換運算。數字信號處理器的精度高，可靠性好，其先進(jìn)的品質(zhì)與性能可為電機控制提供高效可靠的平臺[2]。
鑒于CAN總線(xiàn)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(luò )系統。這種功能強大、智能化和網(wǎng)絡(luò )化程度較高的網(wǎng)絡(luò )系統滿(mǎn)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(luò )系統的發(fā)展趨勢[3]。
1 系統結構及其實(shí)現
基于CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的新型多電機同步控制系統，采用總線(xiàn)式多主多從網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。當系統中不僅有工程師層還包括管理層即多個(gè)主節點(diǎn)時(shí)，主主通信將實(shí)現不同功能主節點(diǎn)的交流（如圖1）。整個(gè)控制系統由三部分組成:CAN總線(xiàn)、上級PC機、DSP控制系統。系統采用PC 機作為監控主機,實(shí)現對各節點(diǎn)的監控和管理;CAN 總線(xiàn)接口卡完成CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能,實(shí)現PC 機與CAN 總線(xiàn)之間的通信;各從節點(diǎn)通過(guò)DSP完成數據的收發(fā)和對交流電機的控制[4]。
主節點(diǎn)采用PC微機（或其他兼容機），通過(guò)PCI總線(xiàn)雙路智能CAN網(wǎng)卡（通信適配器）與CAN總線(xiàn)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、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(xiàn)接口電路。
從節點(diǎn)由兩部分構成：電機控制板和功率驅動(dòng)板。從節點(diǎn)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(dòng)功率器件，A/D模塊用來(lái)把系統所需要的電流模擬量變換成數字量，實(shí)現電流環(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(xiàn)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，轉換成數字信號后，再進(jìn)行相應的處理。光電碼盤(pán)把檢測信息反饋到DSP的正交編碼脈沖電路(QEP)，實(shí)現速度環(huán)反饋控制。當LF2407A的QEP被使能(禁止捕獲功能)，定時(shí)器2對引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2、定時(shí)器4對引腳CAP4/QEP3和CAP5/QEP4上的脈沖數目和頻率分別計數，可得到電機的角位移和轉速。功率驅動(dòng)板由整流濾波、IGBT驅動(dòng)、以及IGBT橋和反饋電路組成[5]。
2 軟件設計
2.1 CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議設計
CAN 總線(xiàn)采用一種串行數據通信協(xié)議,它能有效地支持具有較高安全等級的分布實(shí)時(shí)控制。根據CAN總線(xiàn)技術(shù)規范CAN2.0A、CAN2.0B，本文設計了用戶(hù)通信協(xié)議，各個(gè)節點(diǎn)都按此協(xié)議傳送信息。用戶(hù)通信協(xié)議的幀結構共10個(gè)字節（2個(gè)字節標識符、8個(gè)字節數據和變量），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(lèi)型:100為單幀廣播；000為單幀點(diǎn)對點(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。節點(diǎn)根據接收到的數據中兩個(gè)字節的內容來(lái)確定被傳送的內容。
物理變量序號:0～255。
Data3～Data0:定義為一個(gè)物理變量數據，4字節長(cháng)整數，原碼表示。數據類(lèi)型為整型、布爾型或浮點(diǎn)型。
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