基于Canopen協議的VACON變頻器的應用

張澤宇，劉洋，陳卓，蔣煒

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

基于Canopen協議的VACON變頻器的應用

張澤宇，劉洋，陳卓，蔣煒

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

本文介紹了基于CANOPEN協議的VACON變頻器的應用。采用在船舶電力推進領域應用廣泛的現場總線CAN協議，應用層采用CANOPEN協議對VACON變頻器進行監測與控制，在船舶電力推進系統中具有成本低廉、開發方便及實用等優點。

CANOPENVACON電力推進

0　引言

隨著船舶電力推進技術的不斷發展，CAN總線作為一種高性能、高可靠性、價格低廉、開發方便的現場總線得到了越來越多的應用。本文應用CANOpen協議對VACON變頻器進行了監測與控制，可靠性高、成本低廉、開發自主化程度高，具有很好的實用性。

圖1所示為CANOpen設備結構，不同設備通過CANBUS總線組成總線網絡，完成通信數據的交換，通訊數據的交換也可看為通信對象的交換。對象字典取代了常規的通信數據包概念，是一個標準化結構的對象組，包含了數據類型、通信對象、應用對象等內容。任何設備均有其唯一的對象字典，設備內定義內容不同則對象字典的具體內容不同。

1　CANOpen協議介紹

CANOpen協議作為CAN總線應用層中通訊協議的一種，最先在歐洲得到了推廣及應用。經過多年的發展，CANOpen協議廣泛應用于工業控制、汽車工業、船舶海運等工業領域。

1.1CANOPEN主要協議

隨著CANOpen協議的發展，CANOpen協議發展出一系列對對象字典及各種設備細化的子協議。子協議針對對象字典中的功能、索引、子索引、數據類型等內容進行了細化定義，保證了不同廠商的設備的統一性及兼容性。

1.2CANOPEN通訊

在CANopen協議中主要定義了管理報文對象NMT（Network Management）、服務數據對象SDO(Service Data Object)、過程數據對象PDO(Process Data Object)等四種對象。

圖1　CANOpen設備結構

1）管理報文NMT

管理報文NMT負責對CANOpen網絡中斷設備的對象字典進行網絡管理及配置。在一個CANOpen網絡中只允許存在一個主節點和多個從節點。

2）服務數據對象SDO

一般CANOpen網絡上都是一主多從的模式，主節點可通過SDO數據包對從節點進行相應的參數配置。此時CANOpen主節點作為SDO客戶端而從節點作為SDO服務器。主節點通過SDO數據包可以訪問從節點上的對象字典。

3）過程數據對象PDO

PDO的作用是實時數據傳輸，傳輸模型如圖2所示。每個PDO數據包最多可傳輸8字節的數據。PDO通信對象具有如下的特點：

（1）PDO數據包中的內容即CAN-ID（同時也稱為COB-ID）內容。

（2）每個PDO數據包在對象字典中包含2個對象的描述。一個為PDO通訊參數，其針對設備的COB-ID、傳輸類型和定時周期作了具體的描述；另一個是PDO映射參數，映射參數針對對象字典中的對象列表進行了定義，用戶可通過對象列表查找到所需的PDO數據包內容。

（3）PDO具有多種傳輸方式：

2　VACON變頻器中CANOPEN對象字典介紹

VACON變頻器在采用CAN通訊方式的時候，需要選配OPTC-6選配卡，可以通過CAN總線對變頻器進行監測與控制。

表1　VACON變頻器CANOPEN參數

在VACON變頻器中可以通過串口線或設定屏來對CANOPEN網絡中的物理層進行設定，包括VACON變頻器的節點號、通訊的波特率和操作模式，見表1。

2.1Driver模式

Driver模式的通訊參數表見表2，在該模式中，可通過NMT、PDO信息的來對本節點進行控制。

表2　Driver模式參數

表3　PDO參數

其中狀態字和控制字的定義如表4所示。

表4　Driver模式控制字和狀態字定義

在上電之后，需要通過狀態字來對變頻器的狀態進行調整，其中包含變頻器狀態機的變化。可按照以下PDO參數進行狀態機切換。

表5　Driver模式變頻器控制流程

在速度給定階段，本范例中給定的為0x0078=120rpm，當需要電機反轉時，僅需給定轉速為負值即可，如給定0xFF38=-200rpm。

2.2Bypass模式

Bypass模式的通訊參數表見表6，在該模式中，可通過NMT、PDO信息的來對本節點進行控制。

表6　Bypass模式參數

表7　PDO參數

可以看出，Bypass模式的自主化應用程度更高，在該模式下，可以通過更改設定狀態1-6的定義來對PID參數、轉速變化斜率等進行設置，同時可以通過更改設定狀態1-6的定義來實時監測諸如變頻器輸出頻率、電機電流、電機轉矩等狀態量，具有很好的擴展性和自主性。

且該模式下并未采用狀態機的方法來對變頻器狀態進行控制，因此控制更為方便簡單，具有很好的實用性，因此在實際應用中，我們一般采用這種控制方式。

在該模式下的狀態字和控制字的定義如表8和表9所示。

表8　Bypass模式控制字定義

0停止運行1正轉反轉2故障復位（上升沿）3…15未使用

表9　Bypass模式狀態字定義

在上電之后，可以通過以下PDO參數來對變頻器狀態進行控制。

在速度給定階段，由于本模式下速度給定值為相對于頻率的最高值，因此實際轉速rpm=給定值/10000*65，當設定轉速為0x0535時，此時實際轉速為200 rpm。同時當給定轉速時，本模式不接受負轉速的給定，在控制字中存在一位對電機轉動方向進行控制，見表10。通過現場總線調整轉速，相對于通過模擬量調整轉速信號更為準確和穩定，具有可靠性高、給定穩定、調速方便等優點。

表10　Bypass模式變頻器控制流程

3　CANOPEN控制VACON變頻器試驗

在試驗中，采用Bypass的模式對VACON變頻器進行控制與監測。本試驗中設定VACON變頻器的節點號為01，通訊速率為125 kps。當發送正轉指令，設定轉速為200 rpm后，變頻器監測信息變為圖3所示。可以看出，當給定轉速指令后，轉速變為199 rpm，并在199 rpm和200 rpm之間跳動，與設定的200 rpm基本一致。

當發送反轉指令，設定轉速為200 rpm后，變頻器監測信息變為圖4所示。

圖3　變頻器監測信息（正轉）

圖4　變頻器監測信息（反轉）

4　小結

本文針對采用應用范圍極廣的CANOpen協議進行了介紹，然后應用CANOpen協議中的相關內容對船舶行業應用十分廣泛的VACON變頻器的監控方式進行了介紹，詳細介紹了Driver模式和Bypass模式，并實際采用Bypass模式進行了變頻器監控試驗，具有可靠性高、成本低廉、開發自主化程度高的優點。

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Application ofVACON’s Frequency Converter Based on Canopen Protocol

Zhang Zeyu,Liu Yang,Chen Zhuo,Jiang Wei
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China)

This article describes the application of theVACON’s frequency converter based on CANOPEN protocol.It uses the CAN fieldbus protocol which is widely used in the field of marine electric propulsion.CANOPEN protocol is used in application layer to monitor and control theVACON’s frequency converter,which has merits of low cost,convenience and practicality inship’s electric propulsionsystem.

CANOPEN;VACON;electric propulsion

TP274

A文獻分類號：1003-4862（2015）10-0022-04

2015-03-14

張澤宇（1989-），男，工程師。研究方向：船舶監控系統。