基于ＤＳＰ交流伺服系統與ＣＡＮ總線的通信設計

李自成　程善美

摘 要：介紹了CAN總線和TMS320LF2407A內嵌CAN控制器的特點,利用PCA82C250芯片作為物理接口實現了交流伺服系統與CAN總線的連接,并與帶CAN卡的上位機進行通信,給出了系統的硬件接口電路,對伺服控制器內的系統軟件和CAN通信軟件進行了分析和設計。利用實驗室開發出的交流伺服控制器與PC機通過CAN總線實現了數據的實時通信,實驗結果表明,利用DSP自帶的CAN控制器可以方便地將單臺伺服控制器構成為控制器局域網的一個智能節點。

關鍵詞：CAN總線；DSP；交流伺服系統；通信

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-145-03

Communication Design of CAN Bus and AC Servo System Based on DSP

LI Zicheng1,CHENG Shanmei2

(1.School of Electrical & Information Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan,430205,China;

2.Huazhong University of Science & Technology,Wuhan,430074,China)

Abstract：The characteristics of CAN bus and CAN controller of TMS320LF2407A are proposed in this paper.AC servo- system is connected with CAN bus by PCA82C250 and communicated with host computer by CAN card.The hardware interface circuit is presented,and the designs of system software and CAN communication software are analyzed respectively.Experimental results show that single servo controller can be connected with CAN bus as an intelligent node in a control network.

Keywords：CAN bus;DSP;AC servo system;communication

CAN是一種串行總線系統,特別適合用于網絡化的“智能”I/O設備中［1］。CAN總線最初是由保時捷公司開發的,主要在汽車上使用,由于其具有多主控協議、實時能力、糾錯功能和強抑噪功能［2-4］。目前,為適應網絡化的要求,交流伺服系統一般采用RS 485總線擴展通信接口［5］。但RS 485采用主從式的通信方式,實時性差,一旦主機通信出現故障,影響到整個系統的正常運行,特別是對于實時性和安全性要求都很高的交流伺服系統來說［6］,這是不允許的。現通過對DSP芯片TMS320LF2407內嵌的CAN控制器分析,設計了基于DSP的下位機控制器與CAN總線的硬件接口和軟件解決方案,實現了交流伺服控制器通過CAN接口卡與上位機的實時通信。

1 DSP的CAN控制器

TI公司的低功耗、高速DSP芯片TMS320LF2407A具有高速運算能力和高效控制能力。其內嵌的CAN控制器是一個完全的CAN控制器［7-9］,完全支持CAN 2.0B協議,它主要有以下特點：有6個郵箱,其數據長度為0~8 B,其中接收郵箱有局域接收郵箱屏蔽寄存器,在發送出錯或仲裁時丟失數據的情況下,有自動重發功能、可編程的位定時器和總線錯誤診斷功能［10］。

CAN控制器的內部結構圖如圖1所示。

工作過程如下：CAN控制器在接收信息時,先將要接收信息標識符與相應接收郵箱的標識符進行比較,只有標識符相同的信息才能被接收；接收信息時,將數據存入郵箱,標識符存入相應的寄存器；接收完成后,中斷標志位被置位。CAN控制器在發送信息時,先將要發送的數據寫入郵箱,再設置發送請求位,發送完成后發送應答信號和中斷標志位被置位,如果發送失敗,發送郵箱將再次發送。

2 系統結構

使用CAN總線的交流伺服系統結構原理圖,如 圖2所示。

圖2 系統結構圖

上位機采用帶有CAN適配卡的通用計算機,上位機的主要功能是：通過CAN總線接口與DSP進行通信,接收DSP傳來的數據進行處理并向節點發送控制指令。節點負責數據采集、控制、執行。上位機和節點之間通過CAN網絡實現數據交換［11］。

CAN卡采用的是研華的雙端口隔離CAN總線通信卡PCL-841。由于帶有內置的CAN控制器,841能夠提供總線仲裁及查錯功能,可以在檢查到錯誤時自動重發數據,極大地降低了數據丟失的幾率,有效地保證了系統的可靠性,工作的波特率可達1 Mb/s。

核心控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A。2407A是電機專用控制芯片,將DSP的高速運算能力和面向電機的高效控制能力集于一體,其高速性使復雜的控制策略得以實現。DSP是整個系統的控制核心,由其來實現矢量控制、SVPWM、數字PI等控制策略,完成速度、電流調節及PWM調制。DSP與CAN物理總線之間采用PCA82C250作為接口,它可提供對總線的差動發送和對CAN控制器的差動接收能力,具有較強的抗干擾能力,通過對其引腳8(Rs)的不同連接可以實現3種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機方式。接口電路如圖3所示。該系統將該引腳通過30 kΩ電阻接地,實現斜率控制方式,以降低射頻干擾。因為DSP是3.3 V供電,而82C250用5 V供電,所以需要電平轉換電路,必要時也使用隔離電路。

圖3 TMS320LF2407A與CAN驅動接口電路

電流檢測采用兩個30 mΩ的采樣電阻檢測電機兩相電流,另一相可由三相定子電流的對稱性計算得到。先通過HCPL788J將小電流信號變換為電壓信號,再經LM

向,由脈沖數和脈沖頻率可確定角位置和轉速,由U,V,W信號可確定轉子初始位置。

3 軟件設計

3.1 系統軟件

系統軟件完成整個系統大部分的功能：轉速調節、電流調節、矢量變換、磁場定向控制、電流計算、角度及轉速計算、鍵盤和顯示、以及通過CAN與上位機通信。

系統軟件包括兩大部分：主程序和中斷服務子程序。主程序完成DSP系統初始化、運行初始化、鍵盤/LCD控制、運行過程的控制以及故障檢測及處理等,其中運行初始化包括定時器和比較單元參數的初始化、轉子初始位置確定。在中斷子程序中,實現轉速環和電流環的控制,完成電機的矢量控制策略,實現轉速控制：轉速環周期為1 ms,完成轉速和位置角度的計算,計算得到的實際轉速與給定轉速的誤差通過轉速調節器得到電流Q軸分量的給定值,作為電流環的輸入；電流環由PWM定時中斷實現,完成相電流的采樣、坐標變換等計算,將實際值與給定值比較的誤差通過電流調節器,再進行SVPWM脈寬調制,即可得到需要的PWM波形。

3.2 CAN通信軟件設計

CAN總線的軟件設計包括3個主要部分：CAN芯片的初始化、信息的發送、信息的接收。

CAN芯片的初始化包括位定時器的設置及對郵箱進行初始化。設置位定時器就是對寄存器BCR1,BCR2進行設置,確定CAN控制器的通信波特率、同步跳轉寬度、采樣次數和重同步方式。初始化郵箱主要是設置郵箱的標識符、發送的是數據幀還是遠程幀、對發送數據區賦初值。

信息的發送采用查詢的方式,接收可采用中斷方式,也可采用查詢方式。流程如圖4和圖5所示。

調試時,可先編寫自測試程序(MCR的ATM位 置1),然后分別調試發送和接收模塊,最后進行收發聯調,這樣可以加快調試進程。需要注意的是,在自測試模式時,不需要與CAN總線相連,接收信箱接收CAN自身的發送信箱發送的信息幀,產生應答信號,但是不能接收標識符。接收信息時,注意接收屏蔽使能位AME的設置：AME=0時,禁止相應的標識符屏蔽,接收信箱的標識符必須與被接收的信息標識符相符才能接收；AME=1時,使能相應的標識符屏蔽,設置局部接收屏蔽寄存器(LAM)。

圖4 發送流程圖

圖5 采用中斷方式接收流程圖

4 結 語

這里主要是在實驗室環境下,對CAN總線在變頻器系統中的應用做了研究,將TMS320LF2407A用于變頻調速系統,充分利用DSP強大的運算功能和豐富的外圍接口電路,同時,將CAN總線引入到現場數據的傳輸中,從而提高了網絡的可靠性和容錯能力。實驗結果表明,該系統正確、可靠、擴展性好。CAN總線抗干擾性強,控制效果較好。CAN總線上如果有多個以2407A為控制核心的變頻調速系統,以不同的標識符來區別各個節點,多節點DSP的硬件接口設計與單節點的設計完全一樣。

參考文獻

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作者簡介李自成 男,1977年出生,湖北廣水人,講師,碩士。研究方向為運動控制、計算機集成控制。

程善美 男,1966年出生,湖北潛江人,教授,博士。研究方向為電力電子及電力傳動、智能控制技術。