基于CAN总线通信组网的四余度发电机组控制系统

杨静伟，卢 刚，李声晋，周 勇，周奇勋，张玉峰

(西北工业大学，陕西西安710072)

0 引 言

现代医疗和工业生产领域对于电力供应的可靠性要求越来越高，而传统的单一发电机发电功能过于简单、可靠性相对较低，已很难保证诸如医疗机构手术过程及高成本产品生产等供电系统的可靠性。本文设计的多余度发电机控制系统是在Microchip公司MCU基础上，运用CAN总线通信技术实现四余度发电机控制。

CAN总线在工业自动化领域的应用越来越广泛，通常采用对等结构即多主工作模式，CAN总线网络是由许多节点形成，这些节点随时可以向网络中的其他节点进行通信，四余度发电机组控制器则是根据CAN总线的这一特点完成多余度实时控制。其特点总结如下:

(1)CAN短帧结构的运用使得传输时用时较短，不容易受到外界干扰，为了降低其出错率，CAN总线采取了CRC校验等校验措施;

(2)在CAN总线通信中，主机可以从原来繁重的底层设备监控任务中解放出来进行更高层次的控制和管理功能;

(3)CAN总线的通信介质一般为电缆、双绞线，也有的CAN总线采用光纤，因此其选择具有很强的灵活性;

(4)CAN总线协议是唯一有国际标准的现场总线，使系统通用性较好;

(5)CAN总线的数据帧类型包括标准数据帧、扩展数据帧、远程帧、错误帧、过载帧等。

1 系统总体方案设计

四余度发电机组控制系统是由上位机、1个中心控制器、4个分控制器、控制油门用电动机、4台柴油发电机组成的。四余度发电机组采用LabWindows/CVI作为上位机，通过中心控制器对各个节点发送的数据进行处理和分析，并对系统的工作状况进行实时显示和控制;中心控制器则作为上位机与CAN总线之间的桥梁;每个分控制器对应一个步进电动机，对其进行直接控制。系统结构框图如图1所示。

图1 系统总体控制框图

2 控制系统硬件设计

2.1 以中心控制器为基础建立的通信网络

中心控制器作为控制器的信息传输纽带，一方面与分控制器进行通信，接收反馈数据并将接收到的上位机的指令发送给从控制器;另一方面与上位机进行通信;在四余度发电机控制系统中，中心控制器的中央控制器(MCU)选择 Mirochip公司的dsPIC30F4011。

在与分控制器建立的CAN总线网络基础上，中心控制器最终是通过串口通信与上位机进行数据传输，其串口通信采用串口隔离转换器。

2.2 分控制器硬件结构

四余度发电机组控制系统的四个分控制器的MCU均选择Mirochip公司的dsPIC30F4012，其功能特点与dsPIC30F4011较为相似，在电机控制PWM模块特性上，dsPIC30F4012具有6路PWM输出通道、3个占空比发生器、PWM专用时基和用于互补模式的死区控制并且含有用于A/D转换的触发器。本系统PWM控制采用互补模式，并设定死区时间为 2 μs。

本系统设计的伺服分控制器原理图如图2所示。系统采用7.5 MHz晶振提供系统时钟信号;电源模块采用78L15和78L05为MCU和驱动芯片提供稳定电源;dsPIC30F4012内部A/D模块为10位，即其接收到的模拟反馈信号转换为数字反馈信号的精度较高，A/D转换器最多可以有16个模拟输入引脚，指定为AN0～AN15。通过位置传感器的反馈量构成位置闭环，即dsPIC30F4012的给定值与位置反馈信号比较，再通过反馈控制系统的调节作用，使得系统的输出量跟踪系统的给定量。

图2 某分控制器硬件结构框图

2.3 CAN通信模块电路设计

四余度发电机组控制系统的CAN通信模块的每一节点基本上都是由MCU(dsPIC30F4011或dsPIC30F4012)和CAN收发器PCA82C250两部分构成。图3是一种CAN模块接口电路原理图。在电路的硬件设计中，CAN收发器PCA82C250的原边与MCU的CAN模块接口相连，副边连接到总线电缆中。考虑到增强连接总线电缆的数字信号的抗干扰性能，对收发器CANH1和CANL1管脚进行RC滤波，如图3R50、R51和C25构成滤波电路。RXD管脚串联一个1 kΩ的电阻，起到限流保护作用。RS管脚用于选择工作模式(高速模式、斜率模式、准备模式)，考虑到电磁兼容问题，在本系统中电阻R52选用20 kΩ，则收发器处于斜率控制模式。

图3 CAN模块接口电路原理图

3 控制系统软件程序设计

四余度发电机组控制系统的软件设计由中心控制器软件设计和分控制器软件设计组成，其中每一部分软件又是由主程序和中断程序组成。

中心控制器在整个系统中作为一个桥梁，一方面要与上位机进行串行通信，另一方面要完成对四个分控制器的CAN通信，其软件流程图如图4所示。

图4 中心控制器软件流程图

图4中将各部分程序进行模块化，主程序主要完成系统初始化，其中包括端口方向初始化、定时器初始化、串口通信(UART)初始化、CAN模块初始化，同时对系统时钟、看门狗等进行配置。系统配置完成后，需要在程序中断中进行设置，从而调用相关的数据传输函数，从而实现控制策略。其中定时器中断是每隔1 ms进行一次，在定时器中断中将完成向四个分控制器下传数据包和向上位机上传数据包的功能。

中央控制器的接收数据(包括上位机下传的数据和分控制器上传的数据)是被动的，即当UART模块和CAN模块检测到有数据向中央控制器发送时，则触发中央控制器的UART接收中断和CAN接收中断，在相应中断程序中，根据其数据通信协议对接收到的数据进行相关处理。这样中央控制器才能顺利完成其枢纽的任务。

分控制器的通信部分主要由CAN发送和CAN接收两部分组成。在CAN接收中断中将收到的数据指令进行处理，并根据相应的通信协议作用PWM模块，从而控制发给步进电动机的脉冲数，实现相应的油门位置控制，最终控制柴油发电机组的转速。其软件流程图如图5所示。

图5 某分控制器软件流程图

4 实 验

实验过程中控制部分实际由五个控制器组成，实验实物图如图6所示。

图6 控制器实验连接图

对单台发电机空载实验时上位机波形如图7所示。

图7 单台发电机空载时上位机波形

系统经实验使用，完全满足设计的需要，在突加、卸载实验中，图8为突然加载(10.627 s)和突然卸载(13.124 s)上位机得到的波形，分析结果如表1所示。

图8 突加卸载时上位机波形图

表1 加卸负载时实验数据

由实验数据和实验波形可见，系统加、卸载工作正常，有良好的稳态和动态特性。在突加、卸载时，输出电压经过短暂的跳变后迅速达到稳定。四余度发电机组并联供电具有较好的故障容错能力，能达到不中断供电的效果，提高了系统的可靠性。

5 结 语

本文通过CAN通信网络对柴油发电机组的伺服油门进行控制，相较于一般余度控制技术，本文提出的控制方法具有方便可靠、实时性高、扩展性强等优点，可有效提高传统柴油发电机的可靠性以及通信的效率。通过对四余度发电机系统相关实验，证明了本文设计的四余度发电机组控制系统伺服性能比较好，一定程度上发挥了多余度技术的高可靠性。

［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，2002.

［2］ 邻宽明.CAN总线原理和应用系统设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1996.

［3］ 满庆丰.CAN总线的应用与发展［J］.电子技术应用，1994(12):1－4.

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［5］ 孟凡军，李声晋，卢刚.基于CAN总线的轮腿式机器人的分布式控制系统设计［D］.西安:西北工业大学，2011.