CAN總線(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電控制系統中的應用

1 引言
風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統是綜合性控制系統，控制系統不僅要監視機組運行參數，對機組進(jìn)行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，而且還要根據風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對機組進(jìn)行優(yōu)化控制。CAN總線(xiàn)是一種支持分布式控制系統和實(shí)時(shí)性控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。其以多主機方式工作，通信速率可達1mbps。
can總線(xiàn)的上述特點(diǎn)正適用于風(fēng)力發(fā)電機控制系統的獨特要求，因此，本文提出一種基于can總線(xiàn)架構的風(fēng)力發(fā)電控制系統?？刂葡到y中各模塊之間通過(guò)can總線(xiàn)實(shí)時(shí)交換數據，實(shí)現主控系統及各控制節點(diǎn)間的實(shí)時(shí)通信與數據交換。文章在分析了can協(xié)議及can獨立控制器sja1000工作原理和讀寫(xiě)邏輯的基礎上，設計了can接口，給出了硬件原理圖，分析了can通訊程序流程及系統中信號和控制指令的通訊幀格式。另外，本文還給出了基于嵌入式qt的應用程序的設計方案。
2 系統結構與功能
本文基于分散控制系統理念，針對雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組設計控制系統。雙饋型風(fēng)電機組控制系統基本結構如圖1所示。

主控制器選用32位嵌入式處理器at91rm9200，通過(guò)硬件設計擴展外圍can接口，實(shí)現與其它節點(diǎn)的通信。同時(shí)外接帶觸摸屏的lcd顯示器，監控界面利用嵌入式qt設計，對整個(gè)機組實(shí)時(shí)監控。主控制器通過(guò)以太網(wǎng)與風(fēng)電場(chǎng)控制中心通信。變流器控制采用雙pwm控制方式，即由兩個(gè)dsp生成pwm信號，電機側部分負責電機勵磁控制，網(wǎng)側負責并網(wǎng)控制；兩模塊均基于tms320f2812設計，通過(guò)其自帶的ecan接口與主控制器及其它節點(diǎn)通信。變槳控制系統同樣基于arm(at91rm9200)設計，擴展can接口實(shí)現通信。變槳控制器和變頻控制器通過(guò)i/o通道采集接收各傳感器數據，并進(jìn)行相關(guān)計算與判斷，輸出控制信號，實(shí)現智能分散控制，同時(shí)向主控制器發(fā)送機組參數并接收主控命令。整體結構框圖如圖2。

主控制器位于地面控制柜，變槳控制器位于機艙控制柜，變頻控制器分電機側和網(wǎng)側兩部分，位于地面控制柜。模塊與模塊之間can總線(xiàn)信號經(jīng)光電轉換后使用光纖連接。
3 can接口硬件設計
can是一種基于廣播的通訊機制，報文依靠報文標識符來(lái)進(jìn)行識別。can協(xié)議支持兩種幀格式，不同之處在于標識符域的長(cháng)度不同，一種被稱(chēng)為can標準幀，支持11bit的標識符長(cháng)度；另一種稱(chēng)為can擴展幀，支持29bit的標識符。
can接口芯片選用philips公司的can獨立控制器sja1000。arm處理器at91rm9200內部集成了外部總線(xiàn)接口ebi，通過(guò)此接口與sja1000連接。從sja1000輸出的can信號，通過(guò)光藕器件隔離后連接到收發(fā)器tja1050，收發(fā)器的輸出與總線(xiàn)連接。
sja1000的地址線(xiàn)和數據線(xiàn)是分時(shí)復用的，而at91rm9200的外部數據總線(xiàn)接口ebi的地址線(xiàn)和數據線(xiàn)是相互獨立的，因此，需要通過(guò)軟件編程實(shí)現地址的鎖存，以達到數據和地址的分時(shí)傳輸。硬件原理圖如圖3[3]。

sja1000的數據/地址復用總線(xiàn)直接與arm的ebi數據總線(xiàn)低8位連接，地址鎖存信號/ale由arm的a0產(chǎn)生，/cs與/we分別由ncs4和new與a0經(jīng)或運算后產(chǎn)生。由硬件電路可確定sja1000的物理地址是0x50000000。
風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境惡劣，為了保證控制系統準確傳輸數據，增強can總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾性能， sja1000控制器經(jīng)過(guò)高速光藕6n137隔離后與收發(fā)器tja1050相連，實(shí)現總線(xiàn)上各can節點(diǎn)之間的電氣隔離。采用dc-dc電源隔離模塊dcr010505，實(shí)現光耦兩端的電源隔離。canh接總線(xiàn)的高電平端，canl接總線(xiàn)的低電平端。由于風(fēng)電機組垂直距離較高，容易受雷電的影響，在兩根can總線(xiàn)輸入端與地之間分別并聯(lián)一30pf的電容和一防雷擊管，以濾除高頻干擾和防止浪涌電壓。
4 can接口通訊軟件設計
對于can的通訊程序，采用分層處理的方法，包括驅動(dòng)層和應用層。因此，can接口軟件通訊包括兩部分：can驅動(dòng)程序和can應用程序。驅動(dòng)程序負責完成linux內核與sja1000之間的數據通訊，即linux內核設置sja1000的控制寄存器，讀寫(xiě)sja1000接收、發(fā)送緩沖器。應用程序部分負責完成用戶(hù)空間和內核空間的數據交換，以及分析從sja1000接收到的報文，封裝要發(fā)送報文。接收的報文主要包括來(lái)自變流模塊和變槳偏航控制模塊的機組狀態(tài)信息及風(fēng)速風(fēng)向、各類(lèi)溫度和轉速信號等。發(fā)送的報文包括下發(fā)給變流模塊和變槳偏航控制模塊的控制指令及控制參數。
4.1 can驅動(dòng)程序設計
(1)底層驅動(dòng)程序總體設計。在linux中設備驅動(dòng)程序是由一組數據結構和函數組成的，它包含設備服務(wù)子程序(如open、read、write、close、ioctl等)、初始化函數can_init()和中斷處理程序can_interrupt()。
在linux加載can驅動(dòng)時(shí)調用can_init()，向操作系統注冊設備，同時(shí)完成can總線(xiàn)波特率的設置，id過(guò)濾器的設置，清空接收和發(fā)送緩沖區，開(kāi)啟中斷等工作，完成初始化后，退出復位模式，進(jìn)入正常的工作模式。