基于CAN總線的智能電動執(zhí)行器設計

0 引言

執(zhí)行器有氣動、液動、電動三類，氣動需要氣源且難以進行遠程控制，液動需要液壓調節(jié)系統(tǒng)，在解決了防爆和馬達保護問題后，電動執(zhí)行器得到了越來越廣泛的應用。電動執(zhí)行器接收來自調節(jié)器的模擬信號（一般是4～20mA的電流信號）或上位機的數(shù)字信號，將其轉換為電動執(zhí)行器相對應的機械位移（轉角、直線或多轉）并自動改變操作變量（調節(jié)閥、風門、擋板開度等），以達到對被調參數(shù)（溫度、壓力、流量、液位等）進行自動調節(jié)的目的，使生產過程按預定要求進行。
電動執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)重要的終端設備，它對整個控制系統(tǒng)的安全運行、可靠性及調節(jié)品質的優(yōu)劣都有很大的影響。目前國內生產的電動執(zhí)行器大多由模擬器件控制，存在的問題有：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(shù)電動執(zhí)行器只能接收模擬信號（4～20mA、1～5V），不能與計算機進行通信；④系統(tǒng)集成度低、維護困難。這就使得現(xiàn)有的電動執(zhí)行器不便于調試和維護，也不能根據生產的實際需要進行參數(shù)的現(xiàn)場調整，不便于實現(xiàn)數(shù)字化的分布式控制[9]。
新型智能電動執(zhí)行器利用微機和現(xiàn)場總線通信技術將伺服放大器與執(zhí)行機構合為一體，具有雙向通信、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術要求的功能?？蛇M行現(xiàn)場操作或遠程操作，完成手動操作及手動/自動之間無擾動切換[1]?？梢哉f，智能化己經成為電動執(zhí)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單、低速的數(shù)據傳輸，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場的實時性和可靠性要求，特別連接請求較多或控制任務較復雜時，實時性較差。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時操作系統(tǒng)進行合理的任務調度，滿足工業(yè)現(xiàn)場對實時性和可靠性的要求[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位定點高速DSP芯片，采用8級指令流水線，單周期32×32位MAC功能，每秒鐘最高可執(zhí)行1150億條指令（150MIPS），保證了控制和信號處理的快速性和實時性。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32位通用定時器、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個外圍中斷、并具有McBSP、SPI、SCI和擴展的CAN總線等接口。TMS320F2812還支持最大1MB的外部存貯器擴展，TMS320F2812的開發(fā)平臺支持C/C++編程語言。其C語言優(yōu)化器的C編譯效率可達90%，還有虛擬浮點數(shù)學函數(shù)庫提供支持，可以大大地縮短數(shù)學運算與控制程序的開發(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域。
在對執(zhí)行電機進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷時，首先要對各傳感器的信號進行采集。CAN總線具有可靠性強、鏈路簡單、支持優(yōu)先級處理等優(yōu)點。因此，我們選擇了基于CAN總線的主/從分布式的測量方式，并開發(fā)了基于TMS320F2812的智能CAN節(jié)點。它具有10路模擬量輸入、4路數(shù)字量輸入，不僅可以根據中心處理主機的命令進行數(shù)據采集還可以實現(xiàn)閾值報警、數(shù)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。電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)硬件主要由DSP、CAN總線接口控制器、開關磁阻電動機、檢測裝置、驅動電路等部分組成，系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 電動執(zhí)行器系統(tǒng)功能框圖

2 驅動電機簡介
新型電動執(zhí)行器的驅動電機采用開關磁阻電機SRM（switched reluctance motor），它具有結構簡單、啟動電流低、輸出轉矩大、定位精度高、無惰走和自剎車等特點。改變了傳統(tǒng)電動執(zhí)行器的體系結構和缺點[4-6]，同時，增設了CAN總線和RS-485通信接口，使之成為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的一個節(jié)點，具有運算、控制、通信等功能。新型電動執(zhí)行器在功能上、可靠性和性價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）總線是一種先進的串行通信協(xié)議，它有效支持分布式控制及實時控制，并采用了帶優(yōu)先級的CSMA/CD協(xié)議對總線進行仲裁，允許多站點同時發(fā)送。既保證了信息處理的實時性，又使得CAN總線網絡可以構成多主結構的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)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(shù)據的高實時性、低傳輸出錯率，具有很高的位速率和高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時，CAN Bus仍可提供高達5kbps的數(shù)據傳輸速率。TMS320F2812中的eCAN控制器集成CAN總線的物理層和數(shù)據鏈路層，支持CAN總線的210A與210B規(guī)范[3]。CAN總線可靠的錯誤檢測與處理功能都是由控制器的鏈路層自動完成，其最大優(yōu)點就是有32個可以逐位屏蔽，并帶有超時監(jiān)視和傳送動態(tài)優(yōu)先級的郵箱。這32個郵箱共有512個字節(jié)的存儲空間來存放要發(fā)送或接收到的數(shù)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，可實現(xiàn)模塊會自動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總線網絡，該收發(fā)器工作電壓為3.3V，節(jié)點上電位移對總線上的其它節(jié)點沒有影響，在電噪聲很大的環(huán)境中能可靠地實現(xiàn)與上位機和其它網絡節(jié)點通信。CAN通信接口電路如圖2所示。

圖2 CAN通信接口電路

在CAN模塊驅動程序的軟件設計時通信協(xié)議遵循DeviceNet規(guī)約，使之具有良好的模塊性和移植性，通過軟件對CAN模塊進行參數(shù)配置，即可實現(xiàn)應用系統(tǒng)的“即插即用”功能。CAN的驅動程序分為硬件抽象層、功能函數(shù)層和應用程序接口層三個層次。硬件抽象層文件CANREGH定義了各CAN控制器寄存器數(shù)據格式及讀寫訪問的方法。功能函數(shù)層文件CANFUNC.C和CANFUYNC.H包括CAN控制器各種控制功能的實現(xiàn)函數(shù)和CAN總線異常中斷處理函數(shù)，該層的函數(shù)利用硬件抽象層中對寄存器操作的接口來訪問CAN控制器，來實現(xiàn)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，供用戶實現(xiàn)現(xiàn)場通信，包括如下過程：
① 初始化CAN控制器。包括使能CAN模塊、模塊時鐘設置、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、總線波特率、驗收過濾器等，以便讓CAN控制器的各個功能與實際的工作相符。