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溫州神舟執(zhí)行器有限公司

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基于CAN總線的智能電動執(zhí)行器設(shè)計

[來源:原創(chuàng)] [作者:admin] [日期:12-10-19] [點擊:]

關(guān)鍵字:電動執(zhí)行器 開關(guān)磁阻電動機 CAN總線

引言

 

執(zhí)行器有氣動、液動、電動三類,氣動需要氣源且難以進行遠程控制,液動需要液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng),在解決了防爆和馬達保護問題后,電動執(zhí)行器得到了越來越廣泛的應(yīng)用。電動執(zhí)行器接收來自調(diào)節(jié)器的模擬信號(一般是420mA的電流信號)或上位機的數(shù)字信號,將其轉(zhuǎn)換為電動執(zhí)行器相對應(yīng)的機械位移(轉(zhuǎn)角、直線或多轉(zhuǎn))并自動改變操作變量(調(diào)節(jié)閥、風門、擋板開度等),以達到對被調(diào)參數(shù)(溫度、壓力、流量、液位等)進行自動調(diào)節(jié)的目的,使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求進行。

電動執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)重要的終端設(shè)備,它對整個控制系統(tǒng)的安全運行、可靠性及調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣都有很大的影響。目前國內(nèi)生產(chǎn)的電動執(zhí)行器大多由模擬器件控制,存在的問題有:①精度差;②保護措施使用繼電器和機械裝置,可靠性差;③大多數(shù)電動執(zhí)行器只能接收模擬信號(420mA、15V),不能與計算機進行通信;④系統(tǒng)集成度低、維護困難。這就使得現(xiàn)有的電動執(zhí)行器不便于調(diào)試和維護,也不能根據(jù)生產(chǎn)的實際需要進行參數(shù)的現(xiàn)場調(diào)整,不便于實現(xiàn)數(shù)字化的分布式控制[9]。

新型智能電動執(zhí)行器利用微機和現(xiàn)場總線通信技術(shù)將伺服放大器與執(zhí)行機構(gòu)合為一體,具有雙向通信、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能。可進行現(xiàn)場操作或遠程操作,完成手動操作及手動/自動之間無擾動切換[1]。可以說,智能化己經(jīng)成為電動執(zhí)行器發(fā)展的趨勢。

 

1 控制器選擇

 

目前采用的8位或16位微控制器的智能控制設(shè)備、儀器儀表僅可完成簡單、低速的數(shù)據(jù)傳輸,不能滿足工業(yè)現(xiàn)場的實時性和可靠性要求,特別連接請求較多或控制任務(wù)較復(fù)雜時,實時性較差。因此,本文選用功能更強的32位微控制器,運行基于特殊應(yīng)用的嵌入式實時操作系統(tǒng)進行合理的任務(wù)調(diào)度,滿足工業(yè)現(xiàn)場對實時性和可靠性的要求[8]。這里選用了TI公司的帶有CAN接口的32位嵌入式微控制器TMS320F2812。

TMS320F2812TI公司新推出的一款32位定點高速DSP芯片,采用8級指令流水線,單周期32×32MAC功能,每秒鐘最高可執(zhí)行1150億條指令(150MIPS),保證了控制和信號處理的快速性和實時性。另外TMS320F2812片上還集成了豐富的外部資源,包括1612ADC、16PWM輸出、332位通用定時器、128kB16Flash存貯器、18 kB RAM存貯器外圍中斷擴展模塊(PIE)可支持45個外圍中斷、并具有McBSP、SPI、SCI和擴展的CAN總線等接口。TMS320F2812還支持最大1MB的外部存貯器擴展,TMS320F2812的開發(fā)平臺支持C/C++編程語言。其C語言優(yōu)化器的C編譯效率可達90%,還有虛擬浮點數(shù)學函數(shù)庫提供支持,可以大大地縮短數(shù)學運算與控制程序的開發(fā)周期。TMS320F2812非常適用于電機控制、電源設(shè)計、智能傳感器設(shè)計等應(yīng)用領(lǐng)域。

在對執(zhí)行電機進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷時,首先要對各傳感器的信號進行采集。CAN總線具有可靠性強、鏈路簡單、支持優(yōu)先級處理等優(yōu)點。因此,我們選擇了基于CAN總線的主/從分布式的測量方式,并開發(fā)了基于TMS320F2812的智能CAN節(jié)點。它具有10路模擬量輸入、4路數(shù)字量輸入,不僅可以根據(jù)中心處理主機的命令進行數(shù)據(jù)采集還可以實現(xiàn)閾值報警、數(shù)字濾波、FFT變換等功能,而且可以大大減輕中心處理主機的運算負荷。電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)硬件主要由DSPCAN總線接口控制器、開關(guān)磁阻電動機、檢測裝置、驅(qū)動電路等部分組成。

 

2 驅(qū)動電機簡介

新型電動執(zhí)行器的驅(qū)動電機采用開關(guān)磁阻電機SRMswitched reluctance motor),它具有結(jié)構(gòu)簡單、啟動電流低、輸出轉(zhuǎn)矩大、定位精度高、無惰走和自剎車等特點。改變了傳統(tǒng)電動執(zhí)行器的體系結(jié)構(gòu)和缺點[4-6],同時,增設(shè)了CAN總線和RS-485通信接口,使之成為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的一個節(jié)點,具有運算、控制、通信等功能。新型電動執(zhí)行器在功能上、可靠性和性價比上都有大幅度提高,可廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金、交通和機械等行業(yè)[7]

3 CAN通信模塊設(shè)計

CANcontroller area network)總線是一種先進的串行通信協(xié)議,它有效支持分布式控制及實時控制,并采用了帶優(yōu)先級的CSMA/CD協(xié)議對總線進行仲裁,允許多站點同時發(fā)送。既保證了信息處理的實時性,又使得CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),保證了系統(tǒng)的可靠性。CAN采用短幀結(jié)構(gòu),且每幀信息都有校驗及其它檢錯措施,保證了數(shù)據(jù)的高實時性、低傳輸出錯率,具有很高的位速率和高抗電磁干擾性,而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時,CAN Bus仍可提供高達5kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。TMS320F2812中的eCAN控制器集成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,支持CAN總線的210A210B規(guī)范[3]。CAN總線可靠的錯誤檢測與處理功能都是由控制器的鏈路層自動完成,其最大優(yōu)點就是有32個可以逐位屏蔽,并帶有超時監(jiān)視和傳送動態(tài)優(yōu)先級的郵箱。這32個郵箱共有512個字節(jié)的存儲空間來存放要發(fā)送或接收到的數(shù)據(jù)。eCAN本身與SCC模式相兼容,并且增加了低功率模式,設(shè)置MC寄存器中的WUBA位,可實現(xiàn)模塊會自動退出低功率模式和工作模式的切換[10]。

本設(shè)計選用TI公司的CAN收發(fā)器SN65HVD230TMS320F2812直接連接便可接入CAN總線網(wǎng)絡(luò),該收發(fā)器工作電壓為3.3V,節(jié)點上電位移對總線上的其它節(jié)點沒有影響,在電噪聲很大的環(huán)境中能可靠地實現(xiàn)與上位機和其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信。

CAN模塊驅(qū)動程序的軟件設(shè)計時通信協(xié)議遵循DeviceNet規(guī)約,使之具有良好的模塊性和移植性,通過軟件對CAN模塊進行參數(shù)配置,即可實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的“即插即用”功能。CAN的驅(qū)動程序分為硬件抽象層、功能函數(shù)層和應(yīng)用程序接口層三個層次。硬件抽象層文件CANREGH定義了各CAN控制器寄存器數(shù)據(jù)格式及讀寫訪問的方法。功能函數(shù)層文件CANFUNC.CCANFUYNC.H包括CAN控制器各種控制功能的實現(xiàn)函數(shù)和CAN總線異常中斷處理函數(shù),該層的函數(shù)利用硬件抽象層中對寄存器操作的接口來訪問CAN控制器,來實現(xiàn)各種CAN控制器能提供的功能。應(yīng)用程序接口層的文件有CANAPP.HCANAPP.C,供用戶實現(xiàn)現(xiàn)場通信,包括如下過程:

① 初始化CAN控制器。包括使能CAN模塊、模塊時鐘設(shè)置、配置CAN管腳、初始化CANMC寄存器、清除中斷標志位、CAN控制器的工作方式、總線波特率、驗收過濾器等,以便讓CAN控制器的各個功能與實際的工作相符。

② 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。欲發(fā)送和接收的報文按照一定的協(xié)議打包或解析,在用戶通信命令控制下進行CAN信息幀的發(fā)送和接收。通信參數(shù)的設(shè)置由簡單的控制命令實現(xiàn),最高可達300fps的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級,按不同報文的實時性要求,在任意時刻主動地把本節(jié)點檢測和計算好的各電能質(zhì)量參數(shù),向CAN網(wǎng)絡(luò)上任意其它節(jié)點和上位機發(fā)送信息,以供分析、存儲、顯示及打印。也可接收上位機發(fā)送的包含有基本控制命令的信息,使轉(zhuǎn)換器與本節(jié)點標志符相匹配的報文進行網(wǎng)絡(luò)通信,來對本節(jié)點狀態(tài)信息進行高速檢測和運行控制。

 

4 電動執(zhí)行器主程序設(shè)計

 

主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、初始狀態(tài)的判斷以及起動、運行子程序的調(diào)用。初始化包括TMS320LF2812內(nèi)部各寄存器及變量的初始化,事件管理器和通信顯示模塊及中斷命令初始化,QEP中斷觸發(fā)方式,禁止全部中斷,并關(guān)閉所有的相輸出信號等[2,9]。根據(jù)接收的指令確定系統(tǒng)的運行模式、維護系統(tǒng)正常運行、通信和顯示等工作,其流程如圖3所示。

 

5 結(jié)束語

 

當智能執(zhí)行器與現(xiàn)場總線連接時,智能執(zhí)行器就成為了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的一塊現(xiàn)場儀表,這時它不僅具有執(zhí)行器的功能,而且還具有控制、運算和通信等功能,同時可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。這類總線型智能執(zhí)行器具有可靠性高、使用方便、通信功能強、診斷保護功能完善、適應(yīng)性廣泛等優(yōu)點。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用的深入,將給總線型智能執(zhí)行器帶來廣闊的發(fā)展前景。基于DSP控制的CAN總線電動執(zhí)行器,采用開關(guān)磁阻電動機作為伺服電機[5],以DSP為控制器,簡化了硬件電路設(shè)計,提高了運算速度;設(shè)執(zhí)行器集運算、控制、通信等功能于一體,實現(xiàn)了機電一體化結(jié)構(gòu);具有高度的智能化和高精度的系統(tǒng)控制功能以及先進的自身保護和系統(tǒng)保護功能,提高了控制的可靠性。

參考文獻

[1] 潘偉,王漢功.基于TMS320F2812DSP的智能CAN節(jié)點設(shè)計[J].國家電子測量技術(shù),200610):36-37.

[2] 周海龍,鄧士娟.基于DSP微控制器的新型智能電動執(zhí)行器設(shè)計[J].中國儀器儀表,200511):64-66.

[3] 謝銘剛,張奕黃.CAN總線在純電動汽車電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微特電機,2005,3310):45-46.

[4] ZHIY.Design of the Fuzzy Controller for Switched ReluctanceDrive[C]BeijingCEMI2005,20051-5.

[5] CHENHSUNC.Sliding Mode Control of Switched Reluctance Motor Drive[C]DalianISTM2005,20052909-2912.

[6] CORDA J.Speed Control of Switched Reluctance Motors[C]BeijingICEM87,1987235-238.

[7] 李軍生,李為民.C504在直流無刷電動機控制中的應(yīng)用[J].電力電子技術(shù),20026):34-36.

[8] 王曉明.電動機的DSP控制[M].北京:航空航天大學出版社,2004.

[9] 周海龍.基于開關(guān)磁阻電動機的新型電動執(zhí)行器的研究與設(shè)計[D].大連:大連海事大學,2006.

[10] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

(本文轉(zhuǎn)自電子工程世界:http://news.eeworld.com.cn/qrs/2012/1019/article_12373_2.html)

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