摘要：随着的CAN总线在多电机控制系统上的应用，其硬件电路设计可靠性和稳定性起着越来越重要的作用。本文主要设计了带有增强型CAN控制器模块的DSP微控制器、DSP外围电路及CAN总线接口电路等。
关键词：CAN总线；多电机；DSP
1.系统总体结构
参考系统运算速度和运算精度等诸多因素,本设计选用了TI公司的型号为TMS320F2812的DSP作为智能节点的微控制器。系统主要由上位机监控PC机,USB-CAN转换器和下位机组成。上位机的CAN节点是通过USB-CAN总线转换器建立起来的。下位机的每个CAN节点由带有CAN 模块的DSP微控制器组成,其外围电路包括CAN收发器电路、电机驱动器、霍尔电流传感器等。上位机与下位机之间通过双绞线实现CAN总线的数据通信。
2.系统上位机CAN转换器的硬件设计
CAN转换器选用具有两路接口,一路接USB,一路接CAN网络。可作为一个标准CAN节点,把上位机连接到CAN网络中,实现工业控制现场数据的双向传输。可完全支持CAN总线的CAN2.0A和CAN2.0B协议规范;可传送0～8字节长度的报文;支持标准数据帧、扩展数据帧、远程帧;可软件选择位传输速率的范围是20K～1Mb/s;可软件设置屏蔽滤波功能。USB-CAN左侧为USB插头,右侧的CAN接口是接线端子,红线为CANH总线接口和黑线为CANL总线接口。端子上面黑色部分为跳线,连接CAN总线终端电阻(若跳线短接,电阻接入总线中若跳线断开,电阻断开)。转换器体积小,长度不到10cm,不需要外接电源,便于携带,特别适合在笔记本电脑上使用。连接到CAN总线现场可以进行软件调试,数据采集、处理等。硬件结构主要包括微控制器,USB通信部分以及CAN通信部分。微控制器芯片选用Atmel公司的AT89C51,USB通信电路采用USB控制器专用芯片PDIUSBD12及USB接口。CAN通信电路由CAN总线控制器SJA1000和CAN总线收发器82C250组成。
2.1 USB总线接口设计
本部分电路由普通微处理器和专用的USB通信芯片组成。现在专用芯片中较流行的有NS公司的USBN9602,ScanLogic公司的SL11,Philips公司的PDIUSBD12等其中PDIUSBD12作为一款性价比较高的USB接口器件通过并行传输接口与微处理器进行数据传输,这种接口使设计者的开发难度降低,能够较快的完成系统设计。所以本文选用PDIUSBD12与AT89C51连接的方式进行开发。
2.2 CAN总线接口设计
这部分由微处理器,CAN控制器和CAN收发器组成,微处理器负责将数据发送给CAN控制器,并经由CAN控制器、光耦以及CAN收发器将数据发往CAN总线。SJA1000的AD0~AD7引脚连接AT89C51的P2.0～P2.7引脚,在SJA1000和CAN总线收发器89C250之间使用了2个高速光电隔离器件6N137,实现了总线与控制器的隔离,以避免干扰,提高工作可靠性。最右端USB器件的1、2引脚分别传送CANH和CANL电平到CAN总线上。
3.下位机电机控制系统的硬件设计
TMS320F2812 是 TI公司处理器。该系列DSP集微控制器和高性能数字信号处理器的特点于一身,片上集成了多种先进的外设,具有强大的事件管理能力,特别适合于如工业自动化、电机控制等需要大批量数据处理的测控场合。其主要特点如下:(1)主频高达 150MHz,高性能32位CPU,采用哈佛总线结构。(2)片上集成18K×16位flash存储器,1M×16位的单周期访问RAM。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆(3)片上集成兼容CAN2.0B标准的增强型控制局域网eCAN模块。(4)16通道的ADC模块,可以配置为两个独立的8通道模块,方便为EVA 和EVB服务。(5)两个适用于控制无刷直流电机的事件管理器模块EVA和EVB,每个事件管理器包含8通道16位PWM输出,包含正交编码电路,可实现与增量式光电编码器的无缝接口。(6)3个32位CPU定时器,其中两个用于实时操作系统,另外一个用来供用户使用。(7)3个外部中断源,外设中断模块支持45个外设中断。(8)JTAG边界扫描支持。
3.1 DSP 外围电路设计
TMS320F2812 内部具有事件管理器 EV、串行通信接口SCI、ADC采样模块、串行外围设备接口SPI、局域网通信控制器CAN以及多通道缓冲串行接口McBSP。外围电路包括时钟电路、电源电路、存储器扩展电路、JTAG接口电路、电流/电压检测模块接口电路和增强型CAN模块接口电路等。
3.2 数据采集电路设计
(1)相电流采集电路:根据电机学原理,三相电流满足关系式Ia + Ib+ Ic=0其中, Ia、Ib、Ic分别代表三相电流值,可以通过测量其中两相的值后由公式得到第三相的值,任意一相相电流的公式如式所示: I = N×Ix其中, N为经过霍尔电流传感器的匝数,Ix为某一相的电流。电流的采集选用型号为CS010GT 的霍尔电流传感器,应用霍尔效应开环原理,IVin是任意一相相电流待测电流流入端,IVout是待测电流流入端,IVdsp是等效电压输出端。其电路形式简单,成本相对较低。LM358是放大器集成芯片,在此电路中作为电压跟随器使用,使电路输入阻抗增大,输出阻抗减小,提高原电路的带载能力。按芯片结构图说明进行接线,只需将待测电流从芯片的穿芯孔中穿入,输出端即可输出与被测电流对应的电压值。此系统电路板中需要两个霍尔传感器芯片测量任意两相电流,第三个相电流通过式计算得出,这样可以降低硬件成本。(2)直流母线电流检测电路:直流母线电流电路主要由型号为HCNR200的光耦隔离芯片和和型号为LM358的运算放大器组成,LM358使用范围比较广,单电源和双电源的工作模式皆可使用。HCNR200的模拟信号隔离作用提供了良好稳定性、线性度、带宽,因为它的成本较低和高度的灵活性获得广泛应用。电路最后再设定一个阀值电路来防止过电流,阀值可根据实际情况进行调节,当检测的信号超过该阀值时,DSP进行优先级最高的全局中断,形成过电流保护,防止逆变器烧毁。(3)直流母线电压检测电路:本文需要220V交流电经整流滤波稳压变为直流电,再逆变为所需频率的交流电,而直流母线就是承载整流后的直流的母线。当母线电压过高时,长期充电的继电器等器件会因过热损坏;母线电压过低时保证不了断路器和继电保护装置的可靠动作,因此需要监视直流母线电压在允许范围内运行。一旦直流母线电压出现过高或过低的现象,运行人员应及时调整母线电压。通过检测直流母线电压值以及逆变器开关状态即可求出逆变器输出三相电压值。
3.3 CAN 总线接口电路设计
为了使eCAN模块的电平符合高速CAN总线的电平特性,需在eCAN模块和CAN总线之间增加CAN的电平转换器件,芯片SN65HVD230是3.3V的CAN发送接收器,它的差分收发能力和高速率、高抗电磁干扰等特点使其广泛用于汽车、工业自动化、UPS控制等领域。它具有输入阻抗较高的特点,允许120个节点,最高信号传输速率可达1Mbps,具有抗共模干扰、电磁干扰的能力。
4.结语
本文首先给出了系统的整体结构图,并分别对上位机转换卡和下位机电机控制器外围电路进行硬件设计,并对使用芯片进行简单说明。其中上位机强调USB接口电路部分,下位机重点在数据采集电路的设计部分,并对DSP中的增强型CAN模块有了很好的说明。
参考文献：
[1] 宋晓倩.基于CAN总线的分布式电机控制系统研究[D].淮南：安徽理工大学，2012.
[2] 施雅婷.基于CAN总线的多电机分布控制系统研究[D].南京：南京邮电大学，2011.
论文作者:姚勤文
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/26
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