基于CAN總線(xiàn)的智能電動(dòng)執行器設計

0 引言

執行器有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)三類(lèi)，氣動(dòng)需要氣源且難以進(jìn)行遠程控制，液動(dòng)需要液壓調節系統，在解決了防爆和馬達保護問(wèn)題后，電動(dòng)執行器得到了越來(lái)越廣泛的應用。電動(dòng)執行器接收來(lái)自調節器的模擬信號（一般是4～20mA的電流信號）或上位機的數字信號，將其轉換為電動(dòng)執行器相對應的機械位移（轉角、直線(xiàn)或多轉）并自動(dòng)改變操作變量（調節閥、風(fēng)門(mén)、擋板開(kāi)度等），以達到對被調參數（溫度、壓力、流量、液位等）進(jìn)行自動(dòng)調節的目的，使生產(chǎn)過(guò)程按預定要求進(jìn)行。
電動(dòng)執行器是自動(dòng)控制系統重要的終端設備，它對整個(gè)控制系統的安全運行、可靠性及調節品質(zhì)的優(yōu)劣都有很大的影響。目前國內生產(chǎn)的電動(dòng)執行器大多由模擬器件控制，存在的問(wèn)題有：①精度差；②保護措施使用繼電器和機械裝置，可靠性差；③大多數電動(dòng)執行器只能接收模擬信號（4～20mA、1～5V），不能與計算機進(jìn)行通信；④系統集成度低、維護困難。這就使得現有的電動(dòng)執行器不便于調試和維護，也不能根據生產(chǎn)的實(shí)際需要進(jìn)行參數的現場(chǎng)調整，不便于實(shí)現數字化的分布式控制[9]。
新型智能電動(dòng)執行器利用微機和現場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)將伺服放大器與執行機構合為一體，具有雙向通信、在線(xiàn)自動(dòng)標定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能?？蛇M(jìn)行現場(chǎng)操作或遠程操作，完成手動(dòng)操作及手動(dòng)/自動(dòng)之間無(wú)擾動(dòng)切換[1]?？梢哉f(shuō)，智能化己經(jīng)成為電動(dòng)執行器發(fā)展的趨勢。

1 控制器選擇

目前采用的8位或16位微控制器的智能控制設備、儀器儀表僅可完成簡(jiǎn)單、低速的數據傳輸，不能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，特別連接請求較多或控制任務(wù)較復雜時(shí)，實(shí)時(shí)性較差。因此，本文選用功能更強的32位微控制器，運行基于特殊應用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行合理的任務(wù)調度，滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)對實(shí)時(shí)性和可靠性的要求[8]。這里選用了TI公司的帶有CAN接口的32位嵌入式微控制器TMS320F2812。
TMS320F2812是TI公司新推出的一款32位定點(diǎn)高速DSP芯片，采用8級指令流水線(xiàn)，單周期32×32位MAC功能，每秒鐘最高可執行1150億條指令（150MIPS），保證了控制和信號處理的快速性和實(shí)時(shí)性。另外TMS320F2812片上還集成了豐富的外部資源，包括16路12位ADC、16路PWM輸出、3個(gè)32位通用定時(shí)器、128kB的16位Flash存貯器、18 kB RAM存貯器外圍中斷擴展模塊（PIE）可支持45個(gè)外圍中斷、并具有McBSP、SPI、SCI和擴展的CAN總線(xiàn)等接口。TMS320F2812還支持最大1MB的外部存貯器擴展，TMS320F2812的開(kāi)發(fā)平臺支持C/C++編程語(yǔ)言。其C語(yǔ)言?xún)?yōu)化器的C編譯效率可達90%，還有虛擬浮點(diǎn)數學(xué)函數庫提供支持，可以大大地縮短數學(xué)運算與控制程序的開(kāi)發(fā)周期。TMS320F2812非常適用于電機控制、電源設計、智能傳感器設計等應用領(lǐng)域。
在對執行電機進(jìn)行狀態(tài)監測與故障診斷時(shí)，首先要對各傳感器的信號進(jìn)行采集。CAN總線(xiàn)具有可靠性強、鏈路簡(jiǎn)單、支持優(yōu)先級處理等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們選擇了基于CAN總線(xiàn)的主/從分布式的測量方式，并開(kāi)發(fā)了基于TMS320F2812的智能CAN節點(diǎn)。它具有10路模擬量輸入、4路數字量輸入，不僅可以根據中心處理主機的命令進(jìn)行數據采集還可以實(shí)現閾值報警、數字濾波、FFT變換等功能，而且可以大大減輕中心處理主機的運算負荷。電動(dòng)執行器控制系統硬件主要由DSP、CAN總線(xiàn)接口控制器、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機、檢測裝置、驅動(dòng)電路等部分組成，系統功能框圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)執行器系統功能框圖

2 驅動(dòng)電機簡(jiǎn)介
新型電動(dòng)執行器的驅動(dòng)電機采用開(kāi)關(guān)磁阻電機SRM（switched reluctance motor），它具有結構簡(jiǎn)單、啟動(dòng)電流低、輸出轉矩大、定位精度高、無(wú)惰走和自剎車(chē)等特點(diǎn)。改變了傳統電動(dòng)執行器的體系結構和缺點(diǎn)[4-6]，同時(shí)，增設了CAN總線(xiàn)和RS-485通信接口，使之成為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中的一個(gè)節點(diǎn)，具有運算、控制、通信等功能。新型電動(dòng)執行器在功能上、可靠性和性?xún)r(jià)比上都有大幅度提高，可廣泛應用于電力、石油、化工、冶金、交通和機械等行業(yè)[7]。

3 CAN通信模塊設計
CAN（controller area network）總線(xiàn)是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議，它有效支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制，并采用了帶優(yōu)先級的CSMA/CD協(xié)議對總線(xiàn)進(jìn)行仲裁，允許多站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送。既保證了信息處理的實(shí)時(shí)性，又使得CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以構成多主結構的系統，保證了系統的可靠性。CAN采用短幀結構，且每幀信息都有校驗及其它檢錯措施，保證了數據的高實(shí)時(shí)性、低傳輸出錯率，具有很高的位速率和高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時(shí)，CAN Bus仍可提供高達5kbps的數據傳輸速率。TMS320F2812中的eCAN控制器集成CAN總線(xiàn)的物理層和數據鏈路層，支持CAN總線(xiàn)的210A與210B規范[3]。CAN總線(xiàn)可靠的錯誤檢測與處理功能都是由控制器的鏈路層自動(dòng)完成，其最大優(yōu)點(diǎn)就是有32個(gè)可以逐位屏蔽，并帶有超時(shí)監視和傳送動(dòng)態(tài)優(yōu)先級的郵箱。這32個(gè)郵箱共有512個(gè)字節的存儲空間來(lái)存放要發(fā)送或接收到的數據。eCAN本身與SCC模式相兼容，并且增加了低功率模式，設置MC寄存器中的WUBA位，可實(shí)現模塊會(huì )自動(dòng)退出低功率模式和工作模式的切換[10]。
本設計選用TI公司的CAN收發(fā)器SN65HVD230和TMS320F2812直接連接便可接入CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，該收發(fā)器工作電壓為3.3V，節點(diǎn)上電位移對總線(xiàn)上的其它節點(diǎn)沒(méi)有影響，在電噪聲很大的環(huán)境中能可靠地實(shí)現與上位機和其它網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通信。CAN通信接口電路如圖2所示。

圖2 CAN通信接口電路

在CAN模塊驅動(dòng)程序的軟件設計時(shí)通信協(xié)議遵循DeviceNet規約，使之具有良好的模塊性和移植性，通過(guò)軟件對CAN模塊進(jìn)行參數配置，即可實(shí)現應用系統的“即插即用”功能。CAN的驅動(dòng)程序分為硬件抽象層、功能函數層和應用程序接口層三個(gè)層次。硬件抽象層文件CANREGH定義了各CAN控制器寄存器數據格式及讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的方法。功能函數層文件CANFUNC.C和CANFUYNC.H包括CAN控制器各種控制功能的實(shí)現函數和CAN總線(xiàn)異常中斷處理函數，該層的函數利用硬件抽象層中對寄存器操作的接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)CAN控制器，來(lái)實(shí)現各種CAN控制器能提供的功能。應用程序接口層的文件有CANAPP.H和CANAPP.C，供用戶(hù)實(shí)現現場(chǎng)通信，包括如下過(guò)程：
① 初始化CAN控制器。包括使能CAN模塊、模塊時(shí)鐘設置、配置CAN管腳、初始化CANMC寄存器、清除中斷標志位、CAN控制器的工作方式、總線(xiàn)波特率、驗收過(guò)濾器等，以便讓CAN控制器的各個(gè)功能與實(shí)際的工作相符。