基于CAN总线的电动执行机构的设计

1基于CAN总线的电动执行机构的设计【摘要】智能电动执行机构实现远程监控是目前研究的热点。本文介绍了基于CAN总线通讯的智能电动执行机构的设计思路及实现方法，具体介绍了电动执行机构的控制电路、驱动电路及CAN总线接口，并在PC机与电动执行机构之间接入CANUSB接口卡，在PC机WINXP环境下用VC++实现了与电动执行机构的CAN总线通讯与远程监控。结果表明，电动执行机构的控制方案效果较好。【关键词】CAN总线；电动执行机构；PIC18F458DesignofelectricactuatorbasedonCANbusAbstract:Realizinglong-distancemonitoringofelectricactuatoristhehotinvestigationnow.Thispaperintroducesthedesignofelectricactuatorincludingitscontrolcircuit,drivecircuitandCANbusinterfacebasedonCANbus,realizesCANbuscommunicationbyCANbusinterfacecardbetweenapcandelectricactuatorwithVC++.Theresultshowsitsreliableperfectcontroleffect.Keywords:CANbus;electricactuator;PIC18F458电动执行机构是过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置，广泛用于电力、冶金、石油、化工等工业部门的自动控制领域，目前基于现场总线的智能电动执行机构的研究是工业控制和自动化领域的主要研究问题之一。CAN(ControllerAreaNetwork)总线又称控制器局域网，除了具备现场总线的开放式、互操作性、数字化通讯等特点外，还具有以多主机方式工作、采用非破坏性总线仲裁技术、通信介质选择灵活以及很高的可靠性和性能价格比等特点。[1]CAN总线的这些特点使得其能同时满足过程控制和制造业自动化的需求，因而CAN总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。1硬件设计电动执行机构硬件系统框图如图1，硬件主要包括单片机I/O部分，CAN通讯部分，电机驱动部分等。CAN通讯部分在单片机的控制下与上位机进行通讯，完成数据的收发；I/O部分接受位置信号，输出相应脉冲信号控制电机调节阀门；电机驱动部分驱动电机正反转。1.1单片机及I/O部分根据智能化、可靠性高、抗干扰能力强、成本低等原则，单片机采用Microchip公司的PIC18F458。它具有内嵌CAN控制器、1536k片内数据SRAM、3个16位定时/计数器、1个8PIC18F458单片机驱动器82C250CAN总线CANUSB接口卡上位机正反转驱动电路电机位置反馈液晶显示输出轴电动执行机构CAN控制器急停按钮图1硬件系统框图2位看门狗WDT定时器、8路模拟输入的片内ADC。看门狗WDT定时器用来监视程序的运行状态，一旦CPU由于意外原因偏离正常程序之外，WDT将强行把CPU复位，使其返回正常程序。PIC18F458CAN模块遵循CAN总线的协议，同时也有自己的特点。主要包括:1)支持CAN协议CAN2.0A、CAN2.0B；2)支持标准帧、扩展帧、远程帧、过载帧、错误帧等；3)2个接收、3个发送缓冲器；4)6个接收过滤器、2个屏蔽过滤器。[2]因此，选用功能强大的PIC18F458单片机，不用添加CAN控制器及A/D转换模块等，大大简化了电路设计，节省了成本。位置反馈采用高精度、高分辨率、长寿命导电塑料电位器，它测得的位置信号接单片机端口RA0进行A/D转换，结果经过CAN总线送上位机监控系统，同时阀门实际位置送给液晶显示器现场显示。从总线上传来的数据送入单片机端口RB2，经单片机判断处理后，产生需要的PWM波形从单片机端口RC2输出调节阀门位置。设有急停按钮及报警电路，一旦发生意外，可按急停按钮。这样既实现了远程实时监控，又提高了可靠性及控制精度。1.2CAN通讯部分CAN总线驱动器与单片机接线如图2，CAN通信的核心芯片是CAN控制器，CAN的通信协议主要是由它完成的，PIC18F458内嵌的CAN控制器可以实现物理层和数据链路层的所有功能。CAN总线驱动器是CAN控制器与物理总线之间的接口，可以提供对总线的差动发送和接受功能。Philips公司的高速CAN总线驱动器82C50采用双线差分驱动，抗干扰强。为实现总线上节点之间的电气隔离，CAN驱动器通过高速光藕6N137与PIC18F458进行相连。在CAN总线两端的CAN接头上接入120欧匹配电阻，以消除阻抗不连续时的反射现象。[3]总线与地各自并联一个30pF的小电容,以防电磁辐射和抗高频干扰，同时在总线和地之间分别反接一个1N4148反向保护二极管,起过压保护作用。1.3驱动部分电机控制原理如图3,用固态继电器代替传统的伺服放大器来驱动电机，实现机电一体CANTX/RB2CANRX/RB37PIC18F458120Ω82C250NCVCCVDDENINOUTNCGND360Ω23865VCCNCENVDDOUTINGNDNCTXDRSGNDCANHVCCCANLRXDVREF35360Ω30Pfffccccddd2f30Pf+5v360Ω6N1376N137360Ω365672321346788vcc图282C250与PIC18F458接线图3化。固态继电器SSR具有开关速度快、寿命长、无火花和拉弧现象等特点并能实现单片机与强电的电气隔离。本设计为单相交流电机，因此使用两组美格尔的JGX-1D4810固态继电器驱动电机，两端接电容电阻可有效地抑制加至继电器的瞬态电压和电压指数上升率dv/dt，R,C选定为C取0.1-0.3uF(400-600V)，R取20-120Ω。由于PIC单片机输出为CMOS电平，因此使用CMOS非门CD4069、三与非门CD4023、同向驱动门CD4050，注意CD4050低电平带载能力强，因此按照逻辑关系要接SSR负极。利用单片机端口RA1、RA2实现正反转，PWM波实现速度控制。当RA1、PWM输出高电平，RA2低电平时，电机正转；当RA2、PWM输出高电平，RA1低电平时，电机反转。利用RA1、RA2的电平通过非门CD4069实现正反转电子互锁，防止正反转同时接通。2电动执行机构软件设计程序流程图如图4,电动执行机构软件采用MPLABIDE7.5开发平台及MCC18软件，编程语言为C语言。为了提高程序的可靠性和可理解性，将程序设计成能相对独立的子程序，这样有利于程序的移植和修改。软件编程包括主程序、CAN通讯、A/D转换、液晶显示、控制算法子程序等部分。开始系统初始化液晶初始化接收数据CAN中断启动A/D转换调控制算法等待调正反转驱动电机调液晶显示YN数据上传CAN初始化图4电动执行机构程序流程图+DC-AC~-SSR1~+DC-AC~-SSR2~RA1RA2~220MPWM+5vCD4050CD4023CD4069CCRRCD4023CD4069CD4050LN图3电机控制原理图42.1CAN通讯CAN总线的各种协议已经被集成在PIC18F458的CAN模块里面,只要对相应的寄存器进行操作就可完成CAN系统通信。[4]PIC18F458的CAN通信程序主要包括CAN初始化、接受子程序、发送子程序等。CAN初始化主要对CAN进行配置，设置发送邮箱、接收邮箱标识符及初始化数据，设置波特率、CAN工作模式，初始化接受滤波器和接受屏蔽。接受使用中断方式，发送采用查询方式，在CAN总线上的所有节点必须有相同的波特率。2.2控制算法提高执行机构精度的关键是克服电机的惯性，实现准确的定位。因此在控制算法上采用快速启动，在接近控制点慢速停止的方法减小惯性。当给定位置和反馈位置之差△E大于偏差E2时，单片机发出占空比100%的PWM脉冲，电机快速旋转接近指定位置；当给定位置和反馈位置之差△E小于偏差E2大于死区E1时，单片机发出占空比低的PWM脉冲，电机慢速旋转到达指定位置。一旦电机超过一定时间不动作，就认为阀门卡住，发出错误信号上传、停机并发出警报。利用直行程DKJ-Ⅱ型电动执行机构的机械部分，接入本文设计的电路及ICD2仿真器进行测试。总行程为2.5cm,给定值是行程的百分比，如20%为20%*2.5=5mm,设阀门停在1cm处，则电机反转5mm阀门应停在行程5mm处，实际值为当电机动作完毕后，由位置传感器测得显示在液晶显示器上的数据。控制方案测试结果如下表1。结果表明，超调量很小，精度较高。表1测试结果给定值20%50%80%90%实际值21.00%50.91%81.01%90.99%3CAN总线通信的实现通过CANUSB接口卡用VC++在WINXP系统下实现与电动执行机构的CAN通讯。经过调试，实现了电动执行机构的CAN总线双向通讯。4结束语基于CAN总线双向通信的电动执行机构，结构简单，实现了远程实时监控，电子互锁及机电一体化，利用PWM波进行控制，控制方案效果较好,为制造结构简单、功能强大的智能电动执行机构提供了一种思路。其控制器也可直接安装于执行机构内部而无需改动原机械机构，方便了旧设备改造。参考文献5[1]饶运涛，邹继军，郑勇芸现场总线CAN原理与应用技术[M].北京航空航天大学出版社，2003:18-20.[2]MICROCHIPPIC18FXX8DATASHEET[CP/DK]2005[3]胡光永CAN总线节点电路的设计与实现[J]微计算机信息2006,22（l）：1-2.[4]刘和平，刘钊，郑群英等PIC18FXXX单片机程序设计及应用[M]北京航空航天大学出版社，2005:173-204.本文作者创新点：利用单片机PIC18F458实现电动执行机构的CAN总线双向通信，PWM波控制及电子互锁，结构简单，可靠性高。数据来源及研究方法：在试验室中，利用直行程DKJ-Ⅱ型电动执行机构的机械部分，接入本文设计的电路及ICD2仿真器进行测试。在调试的过程中，确定硬件元器件数据和软件具体程序。项目经济效益：本文为硕士论文研究课题，需在试验及实践中得到不断的完善和改进，逐渐实现产品化。相信其为制造结构简单、功能强大的智能电动执行机构提供了一种思路。