哈工大 现场总线论文

1、工业控制网络CAN 总线在电机中的应用学号姓名班号CAN 总线在电机中的应用摘要：介绍了 CAN总线的特点，并讨论了 CAN总线在多电机软启动系统和步进电机控制系统中的应用。关键词： CAN 总线；多电机软启动系统；步进电机控制系统1. 引言CAN 总线是德国 Bosch 公司于上世纪80年代初推出的一种多主局域网， CAN 推出之初 是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。例如汽车刹车防抱死系统、安全气囊等。 对机动车辆总线和对现场总线的需求有许多相似之处，即能够以较低的成本、较高的实时处 理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作。因此CAN总线可广泛应用于离散控制领域中的过 程监测和控制，特别是工业自动化的底层监控，以解决控制与测试之间的可靠和实时数据交 换。CAN总线是现场总线技术的一种，它是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议， 称为控制器局域网现场总线。相对于RS-485等通信标准，CAN总线以其具有的诸多优点而 在许多领域得到了应用。CAN 通信网络是一种全分散、全数字化的智能双向、多变量、多点、多站的分布式通 信体系，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速度块、成

2、本低等特点oCAN总线 是一种非常适合工业现场恶劣环境的通信方式。作为专门应用于工业自动化领域的网络， CAN 总线具有以下优点：使用简单方便。许多CAN控制器芯片如SJA1OOOT、Philips 82C250等实现了 CAN物 理层及数据链路层的大部分，在使用时用户需要做的只是两件事：对CAN控制器进行初始 化，对 CAN 总线上的数据进行收发操作。(2) 高效可靠。CAN采用短帧结构，数据帧中的数据字段长度最多为8B,所以传输的速 度快(最大通信速率可达1Mbps),受干扰的概率低。同时，CAN总线作为多主节点，各节 点通过总线仲裁获得总线控制权，并拥有完善的错误处理机制，保证了各种干扰环境下数据 传输的安全可靠。(3) 系统可扩充性好。 CAN 总线是面向消息的编码，而不是面向设备的编码，故增添或 删减CAN上的节点非常方便和灵活，易于系统的扩充。2. CAN总线在多电机软起动系统的应用交流电动机在全压起动时，起动电流达到额定电流的57倍，会对电网造成冲击；起 动转矩约为额定转矩的2倍，加剧机械结构磨损。为了解决交流电动机的起动问题，通常需 要使用软起动器进行软起动。(1) C

3、AN 通信系统结构交流电机软起动通信系统由一台工控机作为监控主机，工控机通过CAN总线接口接入 CAN总线，各节点是由单片机控制的具有CAN总线数据收发功能的交流电机软起动器。通信系统各部分提供了不同的功能。其中，工控机控制交流电机软起动器的工作状态， 例如软起动、软停车等，显示软起动的各项参数如起动电压、起动电流等。软起动器按照工控机的命令控制交流电机软起动，并采集电机起动电流、电压等参数，通过 CAN 总线发往 工控机。（2）CAN 通信协议本系统中，CAN通信采用CAN2.0B标准中带29位报文标识符的扩展帧。报文标识符中 包含紧急标记、目的地址、源地址、帧类型、帧号。每个CAN通信节点都有一个唯一的地址号，地址号使用7位二进制数表示。其中，优 先级最高的地址分配给工控机，优先级最低的地址作为广播方式的目的地址，其它地址依次 分配给各软起动器。每个 CAN 通信节点都有一个唯一的地址号，地址号使用 7 位二进制数表示。其中，优 先级最高的地址分配给工控机，优先级最低的地址作为广播方式的目的地址，其它地址依次 分配给各软起动器。CAN 节点采用双滤波方式获取本节点所需信息，两个滤波

4、器均采用7 位有效数据，分 别对应节点地址和广播方式下的地址。这样，就仅有发往该节点的帧和广播帧能够进入应用 层进行处理，其它无关通信内容都被过滤掉，提高了系统运行效率。工控机对软起动器的控制命令由对应的控制命令代码表示。主要的控制命令有：软起 动开始/停止，软停车开始/停止，起动方式（阶跃式、脉冲突跳式、恒流式）设置，起动时 间设置等。有些控制命令带有相关参数，如起动时间命令中时间长度。控制命令代码和命令 参数存放在数据场中。（3）软起动器CAN通信硬件设计软起动器的CAN通信由P89V51RD2单片机、CAN控制器SJA1000、CAN总线收发器 PCA82C250和光耦6N137组成。（4）软起动器CAN通信程序设计软起动器CAN通信程序主要包括三个部分：CAN节点的初始化，报文的发送和报文的 接收。其中 CAN 节点初始化部分是关键，正确的初始化保证了报文发送和接收的正常工作。报文的接收过程中，首先要对诸如总线脱离、错误报警等情况进行判断处理，然后读取 缓冲区内数据，最后释放缓冲区和相关寄存器，完成接收并转入对数据的处理程序。3. 基于 CAN 总线的步进电机控制系统（ 1）系

5、统构成基于CAN总线的步进电机控制系统是由单片机最小系统、CAN总线收发模块、步进电 机驱动电路、步进电机和步进电机转速指示灯组成。本系统的系统框图如图 1 所示：步进电机转 速指示电路步进电机CAN驱动收发电路图 1 系统框图2）整体电路图ClPIOPllP12P13P14P15P16P17BSD TKD INTO INTI TOT1唾KTSIX2PSENCAN a莎VPALKPRESETP20PllP22P23P24P25P16P2712 3 4 5 6 7 OTOTOTOTOTOTOT图2 整体电路图（3） CAN 总线节点接口电路设计CAN 总线节点接口电路如图 3.3.1 所示，从电路原理图中可以看出来， 两部分组成：独立的CAN通讯控制器SJA1000和CAN总线驱动器PCA82C250。电路主要B.疋l-irH_.JL言87VCCDGNDINT543RST -V!R /RD /CS /辛ALE/U1AD6AD5AD7AD4ALE7ASAD3CSAD2RD/EADIWRAEOCLKOUTVDD1, sjaioocttVSS2XTALl XTAL2 MODERX1RXOVDD

6、2VDD3RST7X0INT1X1VSS328 AD5 /27 AD4 /26 AD3 /25 AD2 /24 AD1 /23 ADO/22 VCC21 AGND23D RX119 RX018 VCC217 RST16 INTTXDRsGNDCANHVCCCANLRXDVref7 CANH6 CANLCAN收发篠图 3 CAN 总线节点接口电路4）步进电机驱动电路设计DJTUINT22：INT33ET44Z12 3 4 5 6-7 T T I T T T T o o o o o o oVCC步进电机11COW 5VCC图 4 步进电机驱动电路原理图步进电机驱动电路的核心芯片是ULN2OO3，该芯片具有电流放大倍数发，工作电压范 围广，负载功率大等特点,适用于各类需要驱动脉冲频率高，驱动电路大的驱动控制系统。 在本系统中，采用的是由美国的两家公司联合出品的ULN2003A芯片。（5）步进电机转速指示器红5P10P11P12P13P14P15P16P17RXD TXD INTO INTI TOT1GND *|VCC |CAN图 5 步进电机转速指示器原理图在实际项目中,常常要用到伺服电机、

7、步进电机、无刷电机等各种大功率、高电压的电 器件。 ULN2003、ULN280 系列产品就是为了这类大功率用电器而推出的,由于这类电器件功 能强大，市场销量好。因此,水涨船高，此芯片的销路很广，故越来越多的芯片生产厂商都 生产此类产品,造成了市场上有各种系列产品，在本系统中，采用的是由美国的两家公司联 合出品的ULN2003A芯片。6)软件总体设计图 6 系统软件总体流程图基于CAN总线的步进电机控制系统软件设计主要分为SJA1000驱动部分和步进电机驱 动部分两大块，其中步进电机驱动部分是主体，是单片机一直运行的函数，完成了对步进电 机的基本运动控制，其中包含了正转，反转和停止共九级调速oSJAIOOO驱动部分包括SJA1000 芯片初始化模块、CAN总线发送函数模块和CAN总线接收模块。步进电机调速指示灯驱动， 步进电机速度等级发送等功能包含在其他子程序中，这些功能模块的设计会在本章后半段详 细讲解。3. 结束语利用CAN总线技术，实现了电机软起动远程控制和监测功能。该系统已成功应用于某 水泵站电机软起动系统中，该系统抗干扰能力强，实时性能好，运彳丁稳定。在步进电机系统中使用CAN总线，实现了计算机通过CAN总线对步进电机进行开环控 制，省去复杂的总线结构，节省了成本，降低了系统的复杂性，而且提高了稳定性。总之， CAN 总线技术在电机运用非常广泛，学好现场总线这门课对于我们后续的专业课 学习非常重要。4. 参考文献1 赵俊.基于 CAN 总线的步进电机控制系统设计.北京：北京航空航天大学出版社， 1996.2 Lenze.Operating Instruction(Global Drive Mannuls 9300).李成全.CAN总线在多电机软起动系统中的应用.

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