TTCAN在風(fēng)力發(fā)電控制系統中的應用

1 引言

　　近幾年，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)高速增長(cháng)期[1]，而隨著(zhù)風(fēng)電的火熱，風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。本文所設計的風(fēng)力發(fā)電控制系統采用模塊化設計，應用于1兆瓦風(fēng)力發(fā)電控制。設計包括了主控制器模塊、i/o模塊、電網(wǎng)測量模塊和變槳驅動(dòng)模塊，各模塊間通過(guò)can總線(xiàn)連接進(jìn)行通訊。

　　由于傳統的can網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有統一的全局時(shí)鐘，本質(zhì)上是以事件觸發(fā)為基礎的總線(xiàn)系統，會(huì )經(jīng)常存在總線(xiàn)時(shí)序混亂、報文發(fā)送沖突導致發(fā)送延遲等弊端，影響系統的實(shí)時(shí)性[2]。盡管事件觸發(fā)can在報文發(fā)送失敗后提供自動(dòng)重發(fā)功能，但是發(fā)送的延時(shí)會(huì )導致報文幀發(fā)送的確切時(shí)間難以預料，從而導致can網(wǎng)絡(luò )報文發(fā)送周期的抖動(dòng)。所以報文發(fā)送時(shí)倘若發(fā)生傳輸錯誤，報文的重傳會(huì )加重can總線(xiàn)的負擔，很可能造成某報文幀因重傳的延時(shí)而錯過(guò)其有效時(shí)間[3]，實(shí)時(shí)性大打折扣。而采用時(shí)間觸發(fā)的ttcan協(xié)議，保證任何時(shí)候總線(xiàn)上只有一條信息傳輸，能有效地避免沖突造成的總線(xiàn)仲裁，避免報文重傳，在具有較多節點(diǎn)且通訊量較大的can總線(xiàn)通訊中，能更好地控制通訊周期，提高系統的實(shí)時(shí)性。本論文設計采用基于ttcan的can總線(xiàn)通信方式來(lái)實(shí)現分布式風(fēng)力發(fā)電控制系統各模塊間的數據通信。同時(shí)結合冗余措施，旨在提高控制系統的實(shí)時(shí)性和可靠性。

2 系統結構

　　圖1為本控制系統總體結構圖，系統包括cpu模塊、變槳伺服卡模塊、3個(gè)i/o模塊和電網(wǎng)測量模塊一共6個(gè)模塊節點(diǎn)。系統選用infineon公司xc164cs單片機來(lái)完成總線(xiàn)架構。xc164cs所具有的twincan模塊包括兩個(gè)全功能can節點(diǎn)，與外擴can芯片相比在保證速度和穩定性的同時(shí)也為軟件編程提供了方便。兩個(gè)全can節點(diǎn)中的每一個(gè)都能接收和發(fā)送帶11位標識符的標準幀和帶29位標識符的擴展幀。兩個(gè)can節點(diǎn)共享twincan模塊的資源，目的是優(yōu)化can總線(xiàn)通信處理以及使cpu負荷最小[4]。全can功能與fifo結構的靈活組合可滿(mǎn)足復雜嵌入式系統的實(shí)時(shí)要求。同時(shí)它具備禁止重發(fā)功能，所以利用各個(gè)模塊xc164cs單片機的twincan模塊可以很方便地組建控制系統各模塊間雙冗余的ttcan通信網(wǎng)絡(luò )。

圖1 風(fēng)力發(fā)電控制器系統總體框圖

3 ttcan原理與實(shí)現

　　ttcan是在傳統can的基礎上融入時(shí)間觸發(fā)機制，任何動(dòng)作都是由一個(gè)時(shí)間(全局同步)系列決定的[5]，它將通訊周期分割成若干時(shí)間片，同時(shí)分配給各個(gè)節點(diǎn)，形成一個(gè)調度時(shí)刻表，總線(xiàn)上各個(gè)節點(diǎn)嚴格遵照該時(shí)刻表在各自的時(shí)間片中進(jìn)行can數據收發(fā)[6]，如圖2所示，當系統時(shí)鐘到達3ms和6ms時(shí)，發(fā)送報文a；到達5ms和9ms時(shí)，分別接收報文b和發(fā)送報文c。網(wǎng)絡(luò )內所有的報文活動(dòng)都安排在一個(gè)這樣的周期性的時(shí)刻表內，得到了系統信息陣，來(lái)控制所有節點(diǎn)正常有序的進(jìn)行通訊。從而保證任何時(shí)刻總線(xiàn)上只有一條數據傳輸，避免總線(xiàn)仲裁，確保了系統實(shí)時(shí)性，所以ttcan的設計實(shí)際上是制定能滿(mǎn)足系統控制周期的can節點(diǎn)調度時(shí)刻表[7]。

圖2 ttcan時(shí)刻調度表

在ttcan網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)的同步是靠所謂的參照報文維持的，如圖3，它由一個(gè)特殊的節點(diǎn)定期發(fā)送，這就是時(shí)間主機(主節點(diǎn))。參照報文也是一個(gè)can數據幀，其特征在于它的標識符。有效的參照報文同時(shí)被所有節點(diǎn)識別。兩個(gè)參照報文之間的時(shí)間構成了can傳輸的基本周期，基本周期又由很多時(shí)間窗組成，在每個(gè)時(shí)間窗中可進(jìn)行特定的報文操作[8]。每一個(gè)有效參照報文啟動(dòng)了一個(gè)新的基本循環(huán)，并且引起了每一個(gè)節點(diǎn)的循環(huán)時(shí)間復位，于是另一個(gè)基本循環(huán)重新開(kāi)始，也就是說(shuō)，ttcan的時(shí)間觸發(fā)通信是基于參照報文的周期通信[9]。