哈工大 现场总线论文

工业控制网络CAN总线在电机中的应用

学号：

姓名：

班号：

CAN总线在电机中的应用

摘要：介绍了CAN总线的特点，并讨论了CAN总线在多电机软启动系统和步进电机控制系统中的应用。

关键词：CAN总线；多电机软启动系统；步进电机控制系统

1. 引言

CAN总线是德国Bosch公司于上世纪80年代初推出的一种多主局域网，CAN推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。例如汽车刹车防抱死系统、安全气囊等。对机动车辆总线和对现场总线的需求有许多相似之处，即能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作。因此ＣＡＮ总线可广泛应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的底层监控，以解决控制与测试之间的可靠和实时数据交换。

CAN总线是现场总线技术的一种，它是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线。相对于RS-485等通信标准，CAN总线以其具有的诸多优点而在许多领域得到了应用。

CAN通信网络是一种全分散、全数字化的智能双向、多变量、多点、多站的分布式通信体系，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速度块、成本低等特点。CAN总线是一种非常适合工业现场恶劣环境的通信方式。

作为专门应用于工业自动化领域的网络，CAN总线具有以下优点：

(1)使用简单方便。许多CAN控制器芯片如SJA1000T、Philips 82C250等实现了CAN物理层及数据链路层的大部分，在使用时用户需要做的只是两件事：对CAN控制器进行初始化，对CAN总线上的数据进行收发操作。

(2)高效可靠。CAN采用短帧结构，数据帧中的数据字段长度最多为8B，所以传输的速度快（最大通信速率可达1Mbps），受干扰的概率低。同时，CAN总线作为多主节点，各节点通过总线仲裁获得总线控制权，并拥有完善的错误处理机制，保证了各种干扰环境下数据传输的安全可靠。

(3)系统可扩充性好。CAN总线是面向消息的编码，而不是面向设备的编码，故增添或删减CAN上的节点非常方便和灵活，易于系统的扩充。

2. CAN总线在多电机软起动系统的应用

交流电动机在全压起动时，起动电流达到额定电流的5～7倍，会对电网造成冲击；起动转矩约为额定转矩的2倍，加剧机械结构磨损。为了解决交流电动机的起动问题，通常需要使用软起动器进行软起动。

（1）CAN通信系统结构

交流电机软起动通信系统由一台工控机作为监控主机，工控机通过CAN总线接口接入CAN总线，各节点是由单片机控制的具有CAN总线数据收发功能的交流电机软起动器。

通信系统各部分提供了不同的功能。其中，工控机控制交流电机软起动器的工作状态，例如软起动、软停车等，显示软起动的各项参数如起动电压、起动电流等。软起动器按照工

控机的命令控制交流电机软起动，并采集电机起动电流、电压等参数，通过CAN总线发往工控机。

（2）CAN通信协议

本系统中，CAN通信采用CAN2.0B标准中带29位报文标识符的扩展帧。报文标识符中包含紧急标记、目的地址、源地址、帧类型、帧号。

每个CAN通信节点都有一个唯一的地址号，地址号使用7位二进制数表示。其中，优先级最高的地址分配给工控机，优先级最低的地址作为广播方式的目的地址，其它地址依次分配给各软起动器。

每个CAN通信节点都有一个唯一的地址号，地址号使用7位二进制数表示。其中，优先级最高的地址分配给工控机，优先级最低的地址作为广播方式的目的地址，其它地址依次分配给各软起动器。

CAN节点采用双滤波方式获取本节点所需信息，两个滤波器均采用7位有效数据，分别对应节点地址和广播方式下的地址。这样，就仅有发往该节点的帧和广播帧能够进入应用层进行处理，其它无关通信内容都被过滤掉，提高了系统运行效率。

工控机对软起动器的控制命令由对应的控制命令代码表示。主要的控制命令有：软起动开始/停止，软停车开始/停止，起动方式（阶跃式、脉冲突跳式、恒流式）设置，起动时间设置等。有些控制命令带有相关参数，如起动时间命令中时间长度。控制命令代码和命令参数存放在数据场中。

（3）软起动器CAN通信硬件设计

软起动器的CAN通信由P89V51RD2单片机、CAN控制器SJA1000、CAN总线收发器PCA82C250和光耦6N137组成。

（4）软起动器CAN通信程序设计

软起动器CAN通信程序主要包括三个部分：CAN节点的初始化，报文的发送和报文的接收。其中CAN节点初始化部分是关键，正确的初始化保证了报文发送和接收的正常工作。

报文的接收过程中，首先要对诸如总线脱离、错误报警等情况进行判断处理，然后读取缓冲区内数据，最后释放缓冲区和相关寄存器，完成接收并转入对数据的处理程序。

3.基于CAN总线的步进电机控制系统

（1）系统构成

基于CAN总线的步进电机控制系统是由单片机最小系统、CAN总线收发模块、步进电机驱动电路、步进电机和步进电机转速指示灯组成。

本系统的系统框图如图1所示：

图1 系统框图

（2）整体电路图

图2整体电路图

（3） CAN总线节点接口电路设计

CAN总线节点接口电路如图3..3.1所示，从电路原理图中可以看出来，电路主要是由两部分组成：独立的CAN通讯控制器SJA1000和CAN总线驱动器PCA82C250。

图3 CAN总线节点接口电路

（4）步进电机驱动电路设计

图4 步进电机驱动电路原理图

步进电机驱动电路的核心芯片是ULN2003，该芯片具有电流放大倍数发，工作电压范围广，负载功率大等特点,适用于各类需要驱动脉冲频率高，驱动电路大的驱动控制系统。在本系统中，采用的是由美国的两家公司联合出品的ULN2003A芯片。

（5）步进电机转速指示器

图5 步进电机转速指示器原理图

在实际项目中,常常要用到伺服电机、步进电机、无刷电机等各种大功率、高电压的电器件。ULN2003、ULN280系列产品就是为了这类大功率用电器而推出的,由于这类电器件功能强大，市场销量好。因此,水涨船高，此芯片的销路很广，故越来越多的芯片生产厂商都生产此类产品,造成了市场上有各种系列产品，在本系统中，采用的是由美国的两家公司联合出品的ULN2003A芯片。