基于CAN總線的連鑄結晶器振動控制器設計*

肖俊生，左鴻飛，李文濤

(內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

結晶器振動使連續鑄鋼成為可能，而振動方式對鑄坯質量和生產效率都有著重要影響[1-3].連鑄結晶器振動方式經歷了同步振動、梯形振動、正弦振動和非正弦振動[4-5].非正弦振動方式因其對提高拉坯速度、鑄坯質量和生產效率等具有顯著效果，逐漸成為結晶器振動主要應用規律[6-7].結晶器振動控制器主要作用是按要求生成振動波形、并控制結晶器按照設定的振幅、頻率和偏斜率進行振動[8].目前結晶器振動控制器常采用RS-485總線實現數據傳輸，由于受傳輸速度的限制，僅將主要工作參數上傳，沒有將振動波形實時上傳，使得操作人員無從了解實際振動效果.CAN總線具有通信速率快、實時性好、可靠性強等特點[9]，本控制器采用CAN總線實現數據傳輸，將主要工作參數上傳和結晶器振動的設定曲線、實際振動曲線同時上傳，因此可直觀觀察結晶器振動曲線形態、振動的實時性、同步性等特性，提高了控制器的實用性.

1 振動控制器整體結構

結晶器振動控制器整體結構如圖1.

圖1 結晶器振動監控系統結構圖

振動控制器核心采用32位微處理器STM32實現，功能模塊主要包括25位SSI振動位移信號模塊、16位DA及V/I轉換控制信號輸出模塊、4～20 mA模擬量輸入模塊、開關量輸入輸出模塊、CAN通信接口和Modbus TCP/IP通信接口.控制器產生結晶器振動波形數據并實時采集結晶器位移數據，經PID運算后輸出控制信號給液壓伺服機構；同時采集閥芯位置、液壓缸壓力、拉速等信息，并將所采數據通過CAN總線發送給監控上位機.振動控制器主要工作參數：振動頻率40～360次/分，振幅0～6.0 mm，偏斜率0～±0.4，控制輸出：±10 mA DC，模擬信號輸入：4～20 mA DC.

2 振動控制器硬件設計

2.1 核心控制器電路

控制器核心采用32位高性能ARM Cortex-M4處理器STM32F407ZGT6實現，該處理器時鐘高達168 MHz，支持FPU(浮點運算)，自帶多路12位ADC，且具有CAN、以太網接口等多種通信接口[10]，非常適合本系統應用要求.系統中需實現多種信號的采集與輸出，其中閥芯位置反饋、壓力信號等標準4～20 mA DC模擬量信號經高精度隔離I/V轉換模塊轉換為0～3.3 V電壓信號，由片內12位ADC采集，這樣設計不僅簡化了硬件電路降低成本，通知提高了系統的可靠性.

2.2 位移信號采集電路

振動控制器最重要的測量信號為振動位移信號，為了保證結晶器振動的控制精度和內外弧振動的同步性，位移傳感器選用了MTS公司Temposonics-RD4型非接觸式磁致伸縮位移傳感器，測量范圍0～200 mm，測量精度達0.002 mm，輸出信號為25位SSI信號.位移傳感器輸出與單片機接口采用某公司的SSI208P模塊實現，該模塊將傳感器輸出的25位SSI信號轉換為32位的TTL信號，通過并行口送入單片機[11].電路原理圖如圖2所示，實際電路中設計了2路SSI振動位移采集同步控制信號SSI_STA，從硬件上保證了振動的同步性.

2.3 控制信號輸出電路

控制信號輸出采用16位高速DA芯片AD5660實現，AD5660輸出的電壓信號經高精度隔離轉換模塊轉換為-10～+10 mA的電流控制信號，這樣方便實現信號遠傳，也提高了信號的抗干擾能力.為了保證振動的同步性，采用幀同步控制信號SYNC控制2路DA轉換芯片同時輸出控制信號，如圖3所示，為其中一路控制信號輸出電路.

圖2 位移信號采集電路圖

圖3 控制信號輸出電路圖

2.4 CAN通信模塊

CAN通信模塊由CAN控制器和CAN收發器構成，CAN控制器采用STM32單片機內部的bxCAN控制器實現，收發器選用帶隔離的高速CAN收發器CTM1050D，電路如圖4所示；該芯片內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發器件，其主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，具有隔離功能及ESD保護作用;電磁抗干擾性極高;無需外加元件可直接使用，提高了CAN總線的穩定性和可靠性[12].

圖4 CAN通信接口電路圖

3 振動控制器軟件設計

控制器軟件采用模塊化結構，以提高軟件的可靠性和可維護性.軟件主要包括振動控制主程序、振動波形生成子程序、位移采集與控制子程序、CAN通信程序及CAN通信協議的設計等.振動控制程序主流程圖如圖5所示，系統初始化后，按照預設參數生成初始振動波形，接著采集位移及狀態數據，并處理上位機命令，如果收到啟動命令，則進行PID運算并輸出控制信號，然后將位移信息、控制器狀態數據上傳給上位機.在停止振動狀態下，可以修改振動波形.為了防止振動波形突變給機械設備造成沖擊，程序中設定每次振動啟動或停止時都從預設的“零位中心點”開始.

3.1 振動波形生產程序

目前結晶器振動常用非正弦振動規律來控制，非正弦波形一般采用整體函數法來構造，其位移表達式為[13]：

SP=h·sin[ωt-Asin(ωt)] .

(1)

式中：SP為振動位移，mm；h為振幅mm；ω為振動角頻率，rad/s；A偏移因子.

程序在生成波形時需要對上式進行離散化，設每個周期采樣點數為N，則上式可離散化表示為：

SP(i)=h·sin[2πi/N-Asin(2πi/N)] .

(2)

式中：i=0，1，…，N-1.經實驗測試N=180較合適，既能保證波形的精度，又不會因數據點太多而影響程序運行效率.程序按照上式計算產生1個周期的波形數據，如圖6所示.波形的頻率通過定時器控制輸出波形數據點的間隔來實現.

圖5 振動控制器軟件主流程圖

圖6 波形生成程序流程圖

3.2 CAN通信協議設計

系統中由于CAN總線上傳輸的報文類型較少，因此采用CAN2.0B協議中含11位標識符的標準幀格式，并將11位標識符劃分為3個域，分別代表優先級、參數意義和設備ID號，定義如表1所示.

表1 11位標識符定義表

表中各部分意義如下:

(1)P：優先級，由3位組成，分8級，0為最高級，8為最低級；

(2)PS：參數意義，共4位，如0010代表PID參數設置命令；

(3)ID:設備編號，共4位，可表示15臺振動控制器，其中，1111代表全局命令，所有控制器都接收.

控制器暫將報文設計為4級優先級，分別為報警報文0、參數設置報文1、命令報文2、狀態數據報文3，每個優先級下根據參數意義不同可設置多種報文，根據報文發送頻率不同又分為觸發性報文和周期性報文.如表2所示，為設備ID為1的控制器發送的報文格式，其中表中未列出ID號的報文可作為將來擴展用.

表2 ID為1的控制器發送報文

3.3 CAN通信程序實現

CAN通信程序主要涉及CAN控制器初始化程序、數據發送和接收程序.CAN初始化程序主要包括CAN控制器時鐘和端口設置、CAN工作模式配置、波特率設置及濾波器組設置.由于CAN通信采用的11位ID標識符，因此將每組過濾器設置為4個16位標識符列表模式，這樣每組過濾器可對4個ID號的報文進行過濾識別，提高了濾波器組的使用率.

數據發送子程序負責報文的發送，報文發送時只需將報文ID、待發送的數據、數據長度，按照幀格式組合成一幀報文，送入CAN發送緩沖區并啟動發送即可.報文接收采用中斷方式，當收到一條信息且該信息通過接收過濾器時，則產生一個接收中斷，在中斷服務子程序中根據ID號對報文進行識別處理.

圖7 CAN控制器初始化流程圖

4 系統實驗測試

控制器設計完成后，在某公司提供的結晶器振動試驗臺上進行了實際測試，實際運行界面如圖8所示：其中圖8(a)為整體顯示界面，從圖中可見測試振動波形為非正弦波，頻率3 Hz，振幅4 mm，偏斜率0.4，振動中心點為20 mm位置，內外弧振幅比值為0.8；圖8(b)為按給定波形參數生成的內外弧設定曲線，從圖中可看出生成的內外弧曲線一致性很好；圖8(c)為外弧的設定曲線(白色)和實測振動曲線(紅色)，從圖中可看出實測振動曲線和設定曲線形態完全一致，實測振動曲線比設定曲線在時間上存在一些滯后，幅值上稍小一些，這是由于控制器輸出電信號給液壓伺服系統，液壓伺服系統進而驅動結晶器振動，因此產生了時間上的滯后和幅值偏小現象，這跟實際情況是完全相符的；圖8(d)為內外弧的實測振動曲線圖，從圖中可看出實際振動曲線的同步性很好，滿足實際控制需求.

同時也對CAN通信效果進行了測試，振動控制器與監控上位機CAN通信采用雙絞線實現的電氣連接，通信距離為600 m，通信速率500 Kbp/s，測試結果表明:數據傳輸實時、高效、抗干擾性好，滿足結晶器振動系統的通信要求.

5 結論

設計了1種基于CAN通信和STM32的結晶器振動控制器，完成了系統軟硬件設計及調試工作.經測試證明，該振動控制器可實現結晶器振動波形的生成、實際振動位移的采集、振動控制輸出和監控上位機的CAN通信等功能；控制器工作穩定可靠、實時性好、通信效率高、傳輸距離遠、抗干擾性好、且成本低廉具有很高的推廣價值.

圖8 上位機監控顯示界面(a)系統整體顯示界面；(b)內外弧設定曲線；(c)外弧設定曲線(白色)和實測曲線(紅色)；(d)內外弧振動曲線