TTCAN在風力發(fā)電控制系統(tǒng)中的應用

1 引言

　　近幾年，風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)開始進入一個高速增長期[1]，而隨著風電的火熱，風力發(fā)電控制技術也得到了快速的發(fā)展。本文所設計的風力發(fā)電控制系統(tǒng)采用模塊化設計，應用于1兆瓦風力發(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模塊，各模塊間通過can總線連接進行通訊。

　　由于傳統(tǒng)的can網(wǎng)絡沒有統(tǒng)一的全局時鐘，本質上是以事件觸發(fā)為基礎的總線系統(tǒng)，會經(jīng)常存在總線時序混亂、報文發(fā)送沖突導致發(fā)送延遲等弊端，影響系統(tǒng)的實時性[2]。盡管事件觸發(fā)can在報文發(fā)送失敗后提供自動重發(fā)功能，但是發(fā)送的延時會導致報文幀發(fā)送的確切時間難以預料，從而導致can網(wǎng)絡報文發(fā)送周期的抖動。所以報文發(fā)送時倘若發(fā)生傳輸錯誤，報文的重傳會加重can總線的負擔，很可能造成某報文幀因重傳的延時而錯過其有效時間[3]，實時性大打折扣。而采用時間觸發(fā)的ttcan協(xié)議，保證任何時候總線上只有一條信息傳輸，能有效地避免沖突造成的總線仲裁，避免報文重傳，在具有較多節(jié)點且通訊量較大的can總線通訊中，能更好地控制通訊周期，提高系統(tǒng)的實時性。本論文設計采用基于ttcan的can總線通信方式來實現(xiàn)分布式風力發(fā)電控制系統(tǒng)各模塊間的數(shù)據(jù)通信。同時結合冗余措施，旨在提高控制系統(tǒng)的實時性和可靠性。

2 系統(tǒng)結構

　　圖1為本控制系統(tǒng)總體結構圖，系統(tǒng)包括cpu模塊、變槳伺服卡模塊、3個i/o模塊和電網(wǎng)測量模塊一共6個模塊節(jié)點。系統(tǒng)選用infineon公司xc164cs單片機來完成總線架構。xc164cs所具有的twincan模塊包括兩個全功能can節(jié)點，與外擴can芯片相比在保證速度和穩(wěn)定性的同時也為軟件編程提供了方便。兩個全can節(jié)點中的每一個都能接收和發(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can節(jié)點共享twincan模塊的資源，目的是優(yōu)化can總線通信處理以及使cpu負荷最小[4]。全can功能與fifo結構的靈活組合可滿足復雜嵌入式系統(tǒng)的實時要求。同時它具備禁止重發(fā)功能，所以利用各個模塊xc164cs單片機的twincan模塊可以很方便地組建控制系統(tǒng)各模塊間雙冗余的ttcan通信網(wǎng)絡。

圖1 風力發(fā)電控制器系統(tǒng)總體框圖

3 ttcan原理與實現(xiàn)

　　ttcan是在傳統(tǒng)can的基礎上融入時間觸發(fā)機制，任何動作都是由一個時間(全局同步)系列決定的[5]，它將通訊周期分割成若干時間片，同時分配給各個節(jié)點，形成一個調度時刻表，總線上各個節(jié)點嚴格遵照該時刻表在各自的時間片中進行can數(shù)據(jù)收發(fā)[6]，如圖2所示，當系統(tǒng)時鐘到達3ms和6ms時，發(fā)送報文a；到達5ms和9ms時，分別接收報文b和發(fā)送報文c。網(wǎng)絡內(nèi)所有的報文活動都安排在一個這樣的周期性的時刻表內(nèi)，得到了系統(tǒng)信息陣，來控制所有節(jié)點正常有序的進行通訊。從而保證任何時刻總線上只有一條數(shù)據(jù)傳輸，避免總線仲裁，確保了系統(tǒng)實時性，所以ttcan的設計實際上是制定能滿足系統(tǒng)控制周期的can節(jié)點調度時刻表[7]。

圖2 ttcan時刻調度表

在ttcan網(wǎng)絡中，節(jié)點的同步是靠所謂的參照報文維持的，如圖3，它由一個特殊的節(jié)點定期發(fā)送，這就是時間主機(主節(jié)點)。參照報文也是一個can數(shù)據(jù)幀，其特征在于它的標識符。有效的參照報文同時被所有節(jié)點識別。兩個參照報文之間的時間構成了can傳輸?shù)幕局芷?，基本周期又由很多時間窗組成，在每個時間窗中可進行特定的報文操作[8]。每一個有效參照報文啟動了一個新的基本循環(huán)，并且引起了每一個節(jié)點的循環(huán)時間復位，于是另一個基本循環(huán)重新開始，也就是說，ttcan的時間觸發(fā)通信是基于參照報文的周期通信[9]。