基于CAN總線的智能電動執行器設計

0 引言

執行器有氣動、液動、電動三類，氣動需要氣源且難以進行遠程控制，液動需要液壓調節系統，在解決了防爆和馬達保護問題后，電動執行器得到了越來越廣泛的應用。電動執行器接收來自調節器的模擬信號（一般是4～20mA的電流信號）或上位機的數字信號，將其轉換為電動執行器相對應的機械位移（轉角、直線或多轉）并自動改變操作變量（調節閥、風門、擋板開度等），以達到對被調參數（溫度、壓力、流量、液位等）進行自動調節的目的，使生產過程按預定要求進行。
電動執行器是自動控制系統重要的終端設備，它對整個控制系統的安全運行、可靠性及調節品質的優劣都有很大的影響。目前國內生產的電動執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大多數電動執行器只能接收模擬信號（4～20mA、1～5V），不能與計算機進行通信；④系統集成度低、維護困難。這就使得現有的電動執行器不便于調試和維護，也不能根據生產的實際需要進行參數的現場調整，不便于實現數字化的分布式控制[9]。
新型智能電動執行器利用微機和現場總線通信技術將伺服放大器與執行機構合為一體，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要求的功能。可進行現場操作或遠程操作，完成手動操作及手動/自動之間無擾動切換[1]。可以說，智能化己經成為電動執行器發展的趨勢。

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備、儀器儀表僅可完成簡單、低速的數據傳輸，不能滿足工業現場的實時性和可靠性要求，特別連接請求較多或控制任務較復雜時，實時性較差。因此，本文選用功能更強的32位微控制器，運行基于特殊應用的嵌入式實時操作系統進行合理的任務調度，滿足工業現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。
TMS320F2812是TI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32×32位MAC功能，每秒鐘最高可執行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16路12位ADC、16路PWM輸出、3個32位通用定時器、128kB的16位Flash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的開發平臺支持C/C++編程語言。其C語言優化器的C編譯效率可達90%，還有虛擬浮點數學函數庫提供支持，可以大大地縮短數學運算與控制程序的開發周期。TMS320F2812非常適用于電機控制、電源設計、智能傳感器設計等應用領域。
在對執行電機進行狀態監測與故障診斷時，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、支持優先級處理等優點。因此，我們選擇了基于CAN總線的主/從分布式的測量方式，并開發了基于TMS320F2812的智能CAN節點。它具有10路模擬量輸入、4路數字量輸入，不僅可以根據中心處理主機的命令進行數據采集還可以實現閾值報警、數字濾波、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。電動執行器控制系統硬件主要由DSP、CAN總線接口控制器、開關磁阻電動機、檢測裝置、驅動電路等部分組成，系統功能框圖如圖1所示。

圖1 電動執行器系統功能框圖

2 驅動電機簡介
新型電動執行器的驅動電機采用開關磁阻電機SRM（switched reluctance motor），它具有結構簡單、啟動電流低、輸出轉矩大、定位精度高、無惰走和自剎車等特點。改變了傳統電動執行器的體系結構和缺點[4-6]，同時，增設了CAN總線和RS-485通信接口，使之成為現場總線控制系統中的一個節點，具有運算、控制、通信等功能。新型電動執行器在功能上、可靠性和性價比上都有大幅度提高，可廣泛應用于電力、石油、化工、冶金、交通和機械等行業[7]。

3 CAN通信模塊設計
CAN（controller area network）總線是一種先進的串行通信協議，它有效支持分布式控制及實時控制，并采用了帶優先級的CSMA/CD協議對總線進行仲裁，允許多站點同時發送。既保證了信息處理的實時性，又使得CAN總線網絡可以構成多主結構的系統，保證了系統的可靠性。CAN采用短幀結構，且每幀信息都有校驗及其它檢錯措施，保證了數據的高實時性、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的數據傳輸速率。TMS320F2812中的eCAN控制器集成CAN總線的物理層和數據鏈路層，支持CAN總線的210A與210B規范[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，其最大優點就是有32個可以逐位屏蔽，并帶有超時監視和傳送動態優先級的郵箱。這32個郵箱共有512個字節的存儲空間來存放要發送或接收到的數據。eCAN本身與SCC模式相兼容，并且增加了低功率模式，設置MC寄存器中的WUBA位，可實現模塊會自動退出低功率模式和工作模式的切換[10]。
本設計選用TI公司的CAN收發器SN65HVD230和TMS320F2812直接連接便可接入CAN總線網絡，該收發器工作電壓為3.3V，節點上電位移對總線上的其它節點沒有影響，在電噪聲很大的環境中能可靠地實現與上位機和其它網絡節點通信。CAN通信接口電路如圖2所示。

圖2 CAN通信接口電路

在CAN模塊驅動程序的軟件設計時通信協議遵循DeviceNet規約，使之具有良好的模塊性和移植性，通過軟件對CAN模塊進行參數配置，即可實現應用系統的“即插即用”功能。CAN的驅動程序分為硬件抽象層、功能函數層和應用程序接口層三個層次。硬件抽象層文件CANREGH定義了各CAN控制器寄存器數據格式及讀寫訪問的方法。功能函數層文件CANFUNC.C和CANFUYNC.H包括CAN控制器各種控制功能的實現函數和CAN總線異常中斷處理函數，該層的函數利用硬件抽象層中對寄存器操作的接口來訪問CAN控制器，來實現各種CAN控制器能提供的功能。應用程序接口層的文件有CANAPP.H和CANAPP.C，供用戶實現現場通信，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。