基于CAN总线的直流(DC)电机调速系统设计

测控系统综合设计基于CAN总线的直流(DC)电机调速系统设计专业自动化学生姓名杨XX班级B自动化104学号10106034XX完成日期2014年1月盐城工学院电气学院基于CAN总线的直流(DC)电机调速系统设计摘要随着高新技术的不断发展，各种功能强大、性能稳定可靠的新型多功能器件和一些先进的控制理论不断出现，使得控制领域发生了很大的变化。iCAN教学实验开发平台涉及：CAN-bus网络通信、iCAN协议、基本的输入、输出功能控制、PC软件编程等技术内容；该实验开发平台涉及的范围广泛，融合不同技术，体现分布式网络控制的优越性。典型的DC电机通过改变输入电压来改变电机在负载条件下的转动角速度。本文提出了采用下位机现场监控、现场总线通信、上位机集中管理构成直流电机的数字式测控网络的设计。它建立在由CAN总线连接的计算机构成的管理主站与微处理器构成的数字监测控制模块的主从式现场总线网络上，将现代化的微机测控技术和传统的电机测试理论相结合。该设计以iCAN教学实验开发平台为基础，利用组态软件编写一上位机软件，实现以CAN总线为基础的直流(DC)电机调速系统设计。利用模块iCAN4400输出电压变化，改变电机转速；电机的起、停控制由iCAN2404功能模块完成。关键词：CAN总线，直流电机，调速系统目录第1章系统硬件设计………………………………………………………11.1直流电机………………………………………………………………11.2信号采集电路……………………………………………………………21.3AT89C51单片机…………………………………………………………2第2章CAN接口电路………………………………………………………32.1模拟量输出接线方式……………………………………………………32.2系统连接线正面俯视图……………………………………………………3第3章模块上线……………………………………………………………53.1iCAN4400模块上线………………………………………………………53.2iCAN2404模块上线………………………………………………………53.3iCAN7408模块上线………………………………………………………6第4章系统原理图…………………………………………………………8第5章系统软件设计…………………………………………………9第6章组态画面……………………………………………………12实习体会……………………………………………………………………13参考文献……………………………………………………………………141第1章系统硬件设计系统组成如图1.1所示，系统的控制台由PC机和CAN总线适配卡等组成；CAN节点主要由单片机、CAN控制器和CAN收发器组成。PC机CAN卡CAN控制器收发器AT89C51单片机键盘I602显示电流电压转速信号功放电路电机图1.1总体组成框图本设计实现的直流调速控制系统是模拟化的。从图1.1可以看出，单片机无需过问触发脉冲的产生,从而节省了单片机的资源。1.1直流电机直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电机的转速计算公式如下：n=(U-IR)/Kφ2其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。可以看出，转速和U、I有关，并且可控量只有这两个，我们可以通过调节这两个量来改变转速。我们知道，I可以通过改变电压进行改变，而我们常提到的PWM控制也就是用来调节电压波形的常用方法，这里我们也就是用PWM控制来进行电机转速调节的。通过单片机输出一定频率的方波，方波的占空比大小绝对平均电压的大小，也决定了电机的转速大小。1.2信号采集电路系统节点需要采样的信号有转速、电流和电压。电流、电压信号使用接至晶闸管整流电路交流侧的电量隔离变送器测量；转速通过与被测电机轴连接的光电脉冲发生器测量，再由转速变送器转化。变送器输出的工业标准信号1~5V，经调理电路变为0～2.5V的模拟电压信号，送至AT89C51的ADC采集子系统部分。1.3AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51引脚排列图如图1.3.1所示。图1.3.1AT89C51引脚排列图3第2章CAN接口电路2.1模拟量输出接线方式该实验主要利用iCAN4400模块输出模拟量信号，其输出信号接PCB板上的AO3，主要功能：为电机提供不同的驱动电压；利用iCAN2404模块提供开关作用控制电机起、停，其输出端口分别接（AO3，MOTO+）；PCB板为内嵌在iCAN实验平台表面。在iCAN实验平台上我们已经将iCAN4400，iCAN2404输出、输入线分别与实验平台上的相应端口连接好。iCAN4400信号连接线标记号定义如表2.1所示。表2.1iCAN4400信号连接线标记号定义Ican4400模块输入通道AOUT连接线标记号连接线颜色PCB板插孔OUT0U黄色AQ3AGND一黑色GNDiCAN2404信号连接线标记号定义如表2.2所示。表2.2iCAN2404信号连接线标记号定义Ican2404模块输出通道连接线标记号连接线颜色PCB板插孔DO0A1X红色Motor+DO0A2Y红色AQ3iCAN7408信号连接线标记号定义如表2.3所示。表2.3iCAN7408信号连接线标记号定义Ican7408模块输入通道连接线标记号连接线颜色PCB板插孔COUNTER1W红色PULSEOUT2.2系统连接线正面俯视图如图2.2.1所示为iCAN4400输出电压控制电机转速；iCAN2404模块控制电机起、停；iCAN7408测试转速连接示意图。4图2.2.1系统连线正面俯视图5第3章模块上线3.1iCAN4400模块上线iCAN4400模块上线图如图3.1.1所示。图3.1.1iCAN4400模块上线图如图3.1.1所示，其中通道0为模拟量输出值，改变其中的数值，即改变输出电压值。iCAN4400输出状态如表3.1.1所示。表3.1.1iCAN4400输出状态iCAN4400输出信号OUT数字表头变化ICANTEST通道1值变化COUNTER11一5V0000一0FFF如表3.1.1所示，用户可以尝试改变通道值，通过iCANTest软件改变输出通道0的电压值（输出电压值与通道输出值的对应关系在iCAN数据手册有详细说明）。3.2iCAN2404模块上线iCAN2404模块上线图如图3.2.1所示。6图3.2.1iCAN2404模块上线图如图3.2.1所示，其中通道0为数字量输出。iCAN2404输出状态如表3.2.1所示。表3.2.1iCAN2404输出状态DO0A1，DO0A2状态模块输出值ICANTEST通道0颜色闭合1红色断开0绿色3.3iCAN7408模块上线iCAN7408模块上线图如图3.3.1所示。图3.3.1iCAN7408模块上线图当控制iCAN4400和iCAN2404模块时，发现iCAN7408模块上线其计值并没有变化时，您是否已经确认计算器模块是否已经使能。7iCAN7408模块计数软件使能如图3.3.2所示。图3.3.2iCAN7408模块计数软件使能iCAN7408计数模块如图3.3.3所示。图3.3.3iCAN7408计数值8第4章系统原理图本系统的上位机采用一台PC机，给机内插上CAN总线适配卡，配以相应软件作为系统的控制台。控制台以CAN通信协议向各个CAN节点发送控制数据，并接收各个CAN节点发回的检测数据，实现设备的监控。如图4.1所示为系统接线原理图。图4.1系统接线原理图iCAN4400输出电压控制电机转速；iCAN2404模块控制电机起、停。9第5章系统软件设计单片机程序包括初始化、数字滤波、PID运算、LCD显示、CAN发送等子程序。定时器中断包括系统1ms定时中断、转速测量中断，外中断CAN接收中断。开始初始化定时采样滤波PID运算控制量α角送缓冲区LCD显示向CAN总线发送数据图5.1主程序流程图主程序流程如图5.1所示，初始化包括单片机寄存器、LCD、CAN4400的初始化。进入监控程序后，首先进行采样信号滑动平均值滤波计算，将结果送至PID运算，获得的α角送至缓冲区，然后将电机运行参数显示，并通过CAN总线向上位机发送。CAN控制器ICAN4400通过单片机外部中断0获得单片机的实时访问。ICAN4400的数据溢出中断、错误中断、接收中断都将引发单片机的外部中断。在单片机的外部中断子程序中首先读出ICAN4400的中断寄存器IR以判断是哪种中断，进而执行相应的程序，流程图如图5.2所示。10iCAN4400中断读iCAN4400中断寄存器IRIR.0=1?IR.2=1?IR.3=1?读CAN接收缓冲区数据置位错误字重新初始化数据溢出处理中断返回NNN图5.2外部中断0子程序流程图定时器T2设定1ms作为系统定时。键盘以定时查询方式进行扫描，每个系统定时周期扫描一次键盘，如20次扫描结果相同则保存键值，有效地防止了键盘抖动。键盘释义程序完成查询电机参数，修改PID参数等工作。每两个系统定时周期启动AD转换，采样周期2ms，在AD转换完成中断子程序过程中进行采样数据保存，供数字滤波程序使用。转速脉冲测量将系统定时器T2和计数器T0结合使用，并在定时时间满后计算转速。定时器T1用作串口波特率发生器。首先设计了移相触发IP核。通过分析三相全控整流电路得知，每个周期内，出现6次换流，同步点距第一组双脉冲发出点为α电角度，后5次换流间隔60°，双窄脉冲宽度15°。设计两个计数器，计数器1计数α角，计数器2比较产生脉冲，如图5.3所示。74LS27374LS273乘加器双脉冲1,6产生双脉冲5,6产生双脉冲5,4产生双脉冲3,4产生双脉冲3,2产生双脉冲1,2产生脉冲计数器触发器α计数器时钟中断产生同步16位计数值产生单元触发角技术单元脉冲产生单元16位数据总线CLKCS_highUac脉冲使能至单片机中断CS_low8位数据总线图5.3移向触发模块11计数器1在同步点获得α角后开始计数，计满α角启动第一组双脉冲，一个周期中计数器1工作完成，同时计数器2开始脉冲计数，计15°后关闭脉冲，计60°后启动下一组双脉冲，计75°后关闭脉冲，依次循环，计数器2计数6次结束本周期。计数器1计数完毕下一个同步点启动单片机中断，从数据总线上获得α角，开始下一个周期的脉冲产生。如果时钟频率为1μs，则15°、30°60°、150°对应的计数值为833，1667，3333，8333。使用原理图输入其他逻辑门元件，最后进行管脚分配，编译、下载、运行。12第6章组态画面在组态软件中绘制的画面如图6.1所示。图6.1组态画面图13实习体会整个课程设计持续了近两周时间，设计通过了软件和硬件上的调试。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的