大神告訴你：基于單片機的多電機軟起動系統(tǒng)

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，交流電動機在工業(yè)生產(chǎn)中扮演了極為重要的角色，作為各行業(yè)中的主要拖動電機，應(yīng)用更為廣泛。眾所周知，交流電動機在全壓起動時，起動電流達到額定電流的5～7倍，會對電網(wǎng)造成沖擊；起動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，加劇機械結(jié)構(gòu)磨損。為了解決交流電動機的起動問題，通常需要使用軟起動器進行軟起動。

當(dāng)前軟起動器的監(jiān)控一般由各自獨立的監(jiān)控單元進行，無法對整個系統(tǒng)實現(xiàn)全面的控制和監(jiān)測。因此，建立一套數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)將各軟起動監(jiān)控節(jié)點連接起來，組成完整的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)就顯得非常必要。

相對于RS-485等通信標(biāo)準(zhǔn)，CAN（Controller Area Network）總線以其具有的諸多優(yōu)點而在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。CAN總線是德國Bosch公司于上世紀(jì)80年代初推出的一種多主局域網(wǎng)，CAN通信網(wǎng)絡(luò)是一種全分散、全數(shù)字化的智能雙向、多變量、多點、多站的分布式通信體系，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通信速度塊、成本低等諸多優(yōu)點。CAN總線是一種非常適合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的通信方式。本文介紹了一種基于CAN總線的交流電機軟起動通信系統(tǒng)。

CAN通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

交流電機軟起動通信系統(tǒng)由一臺工控機作為監(jiān)控主機，工控機通過CAN總線接口接入CAN總線，各節(jié)點是由單片機控制的具有CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)功能的交流電機軟起動器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通信系統(tǒng)各部分提供了不同的功能。其中，工控機控制交流電機軟起動器的工作狀態(tài)，例如軟起動、軟停車等，顯示軟起動的各項參數(shù)如起動電壓、起動電流等。軟起動器按照工控機的命令控制交流電機軟起動，并采集電機起動電流、電壓等參數(shù)，通過CAN總線發(fā)往工控機。

CAN通信協(xié)議

本通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度不是固定的。工控機向軟起動器下達的控制命令只有幾個字節(jié)，而軟起動器向工控機上傳的軟起動實時數(shù)據(jù)一般有幾十個字節(jié)。因此CAN通信協(xié)議需要有大數(shù)據(jù)量傳輸能力，又要快速高效。由于CAN通信采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效數(shù)據(jù)長度最多為8個字節(jié)，在傳輸數(shù)據(jù)量較大時，就要將數(shù)據(jù)拆分為多個幀進行傳輸。如果將所有信息和數(shù)據(jù)都放在8個字節(jié)的數(shù)據(jù)場中，將會使傳輸幀中有效數(shù)據(jù)少，通信信息多，降低CAN總線通信效率。所以，本文采用了利用報文標(biāo)識符中的仲裁場包含通信控制信息，數(shù)據(jù)場包含實際數(shù)據(jù)的方法，以提高通信效率。

本系統(tǒng)中，CAN通信采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)中帶29位報文標(biāo)識符的擴展幀。報文標(biāo)識符中包含緊急標(biāo)記、目的地址、源地址、幀類型、幀號，其格式如表1所示。

其中緊急標(biāo)記僅有1位，用來標(biāo)記當(dāng)前幀的優(yōu)先級，對于一般信息，該位置1，對于緊急信息（如三相電壓不平衡、過流、軟起動器組件故障等報警信號）該位置0，從而使其擁有高優(yōu)先級，盡快傳送到目的地。

目的地址共7位，指示該幀所要到達的目的地，可以是某一具體地址，也可以是廣播地址（主要用于工控機以廣播方式向各軟起動器傳送數(shù)據(jù)，如對時數(shù)據(jù)等）。

源地址共7位，指示該幀的來源地址。

幀類型有4位，說明了該幀的類型，如工控機控制命令、軟起動實時數(shù)據(jù)等。

幀號共8位，用來在多幀傳輸中標(biāo)記該幀的序號。

每個CAN通信節(jié)點都有一個唯一的地址號，地址號使用7位二進制數(shù)表示。其中，優(yōu)先級最高的地址分配給工控機，優(yōu)先級最低的地址作為廣播方式的目的地址，其它地址依次分配給各軟起動器。

CAN節(jié)點采用雙濾波方式獲取本節(jié)點所需信息，兩個濾波器均采用7位有效數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)節(jié)點地址和廣播方式下的地址。這樣，就僅有發(fā)往該節(jié)點的幀和廣播幀能夠進入應(yīng)用層進行處理，其它無關(guān)通信內(nèi)容都被過濾掉，提高了系統(tǒng)運行效率。

工控機對軟起動器的控制命令由對應(yīng)的控制命令代碼表示。主要的控制命令有：軟起動開始/停止，軟停車開始/停止，起動方式（階躍式、脈沖突跳式、恒流式）設(shè)置，起動時間設(shè)置等。有些控制命令帶有相關(guān)參數(shù)，如起動時間命令中時間長度?？刂泼畲a和命令參數(shù)存放在數(shù)據(jù)場中。

軟起動器CAN通信硬件設(shè)計

軟起動器的CAN通信由P89V51RD2單片機、CAN控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器PCA82C250和光耦6N137組成，電路原理如圖2所示。

圖2 軟起動器CAN通信電路原理圖

SJA1000是一款獨立的CAN控制器，具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。PCA82C250為總線收發(fā)器，主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，實現(xiàn)熱保護等。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000通過高速光耦6N137與PCA82C250相連，這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。光耦兩側(cè)電源完全電氣隔離，隔離電源由小功率電源隔離模塊B0505提供。

軟起動器CAN通信程序設(shè)計

軟起動器上電后，首先進行自檢，自檢完成后向工控機發(fā)送自檢結(jié)果；若自檢成功，工控機向軟起動器發(fā)送軟起動初始化參數(shù)和“允許起動”命令，電機開始軟起動；軟起動過程中，軟起動器每隔100ms發(fā)送一次軟起動數(shù)據(jù)，包括三相電壓、三相電流、電機轉(zhuǎn)速等信息；電機運行完畢，工控機發(fā)送“軟停車開始”命令，軟起動器開始控制電機軟停車；當(dāng)軟起動器出現(xiàn)故障時，工控機會收到故障報警信號，同時顯示故障原因。

軟起動器CAN通信程序主要包括三個部分：CAN節(jié)點的初始化，報文的發(fā)送和報文的接收。其中CAN節(jié)點初始化部分是關(guān)鍵，正確的初始化保證了報文發(fā)送和接收的正常工作。CAN初始化程序流程如圖3所示。

圖3 CAN初始化程序流程圖

報文發(fā)送時，只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議規(guī)定組合成一幀報文，送入發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動發(fā)送即可。其程序流程圖如圖4所示。

圖4 CAN報文發(fā)送程序流程圖

報文的接收過程中，首先要對諸如總線脫離、錯誤報警等情況進行判斷處理，然后讀取緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)，最后釋放緩沖區(qū)和相關(guān)寄存器，完成接收并轉(zhuǎn)入對數(shù)據(jù)的處理程序。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 CAN報文接收程序流程圖

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的是一個可靠、高效的交流電機軟起動通信系統(tǒng)，利用CAN總線技術(shù)，實現(xiàn)了電機軟起動遠程控制和監(jiān)測功能。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某水泵站電機軟起動系統(tǒng)中，實踐證明，該系統(tǒng)抗干擾能力強，實時性能好，運行穩(wěn)定，達到了設(shè)計要求。