基于总线的10KV开关柜智能脱扣装置设计毕业设计说明书.doc

中北大学2013届毕业设计说明书基于总线的10KV开关柜智能脱扣装置设计摘要信息技术的飞速发展，是自动化领域也发生了深刻的技术变革，产生了开放系统互联的通信网络，及现场总线控制网络。现场总线控制系统是新一代控制系统，它代表的是数字化到现场、网络化到现场。控制功能和设备管理到现场的发展方向。现场总线控制技术的应用将大幅度降低控制系统的投资，能显著提高控制质量，明显改善系统的集成性、开放性、分散性和互换性。现场总线控制系统已成为当今世界上自动控制技术的热点。现场总线技术带给智能脱扣的自动化、智能化发展史不可或缺的。采用现场总线技术的智能脱扣装置可以提高安全性，经济性，灵活性，稳定性。本设计中首先对现场总线尤其是CAN总线和RS232总线的原理进行介绍，其次确定了控制系统的设计方案，完成基于CAN总线和RS232总线的控制系统原理图和PCB版图，制作电路板，编写CAN总线和RS232总线的控制程序，最后进行基于RS232总线软硬件联调，完成系统的设计。本系统采用单片机为主控制器，接收传感器的检测信号，进行判断，控制步进电机的启和停，最终设计出反应灵敏、运行可靠、工作稳定的智能脱扣装置。关键词：智能脱扣装置，步进电机，CAN总线，RS232总线Design of 10KV switch cabinet intelligent trip device based on field busAbstractThe rapid development of information technology, automation field has a profound technological change, the communication network of open system interconnection, and field bus control network. Fieldbus control system is a new generation control system, it is the representative of the digital, network to the site to site. Control functions and equipment management to the site development direction. Application of fieldbus control technology will greatly reduce the investment control system, can significantly improve the control quality, improve the system integration, openness, dispersibility and compatibility. The field bus control system has become a hotspot in automatic control technology. Field bus technology to the intelligent automation, intelligent development history of. Intelligent trip device adopts field bus technology can improve the safety, economy, flexibility, stability.The design of the first field bus especially the principle of CAN bus and RS232 bus are introduced, then the design scheme of the control system, complete control system principle diagram and PCB layout based on CAN bus and RS232 bus, circuit board manufacturing, control procedures for the preparation of CAN bus and RS232 bus, finally carries on the software and hardware of RS232 based on the alignment, the complete system design. The system adopts MCU as the main controller, signal detection, receives the sensor to judge, control of the stepper motor start and stop, the final design of intelligent trip device responsive, reliable operation, stable work.Keywords: intelligent tripping device, stepper motor, CAN bus，RS232 bus.目录1. 绪论11.1 课题背景11.2 国内外发展情况11.3 课题研究目的及主要工作52. 智能脱扣系统概述63. 核心控制器单片机设计73.1 89S59单片机选择及介绍73.2 复位电路83.3 时钟电路94. 步进电机模块设计104.1 步进电机工作原理与动态特性114.2 步进电机的控制原理124.3 L298N驱动简介154.4 L298N引脚简介164.5 L298N内部逻辑175. 现场总线技术概论175.1 现场总线的产生185.2 现场总线的概念195.3 CAN总线部分介绍195.3.1 CAN总线分层结构195.3.2 CAN控制器SJA1000205.4 RS232总线部分介绍226. 齿轮齿条与脱扣开关247. 设计软件的选用257.1 原理图与印刷电路板的设计257.2 程序的编译与串口的调试268. 软硬件联调27第页 共页8.1 程序流程图278.2 主程序展示288.3 调试结果358.4 样机展示369. 调试过程中遇到的问题及解决思路36结论37参考文献38致谢40附录A41附录B42第页 共页1. 绪论1.1 课题背景随着计算机技术、微电子技术和网络通信技术的历史发展，脱扣器经历了由热式、电磁式、电子式，发展到目前具有微控制芯片的智能化脱扣器。目前国内外都在不断完善高压成套开关柜内断路器的类型，作为断路器核心部件一智能型脱扣器在传统的机械装置的基础上，利用微电子技术、计算机控制技术和通信技术等对断路器进行智能化控制，已具有与工控机、PLC等通信的功能，能提供开关状态、二相电流等数据，并能提供电压、功率因数、有功功率等参数，具有精确的选择性保护，可避免不必要的停电，提高供电系统的可靠性、连续性和安全性，现已广泛应用于各类电网中。随着电网改造的深入，国家电网正逐步实现10kv变电站无人值守远程控制，进一步提高电网的可靠性，通过现场总线技术就可以实现断路器分闸故障时的就地分闸而不需要停上一级母线，并且由于是远程操作，也就保证了工作人员的人身安全。所以立足于现场总线技术，设计完成集网络通信、驱动单元、控制单元、在线数字显示于一体的智能脱扣装置是有必要的。1.2 国内外发展情况CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线。CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛的应用。为促进CAN以及CAN协议的发展，1992在欧洲成立了CiA(CAN in Automation)。在CiA的努力推广下，CAN技术在汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。现已有400多家公司加入了CiA，CiA已成为全球应用CAN技术的权威。CAN总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。大型仪器设备系统复杂，对多种信息进行采集、处理、控制、输出等操作。如医疗器械CT断层扫描仪，为保证其可靠工作，在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换、通信能以广播方式进行、简单经济的硬件接口、通信线尽量少、抗干扰能力强、可靠性高并能自动进行故障识别和自动恢复。但是，这些要求长时间未能得到很好的解决，直至CAN总线技术出现才提供了一个较好的解决方法。测控系统中离不开传感器，由于各类传感器的工作原理不同，其最终输出的电量形式也各不相同，为了便于系统连接，通常要考虑将传感器的输出变换成标准电压或电流信号。即便是这样，在与计算机相连时，必须增加A/D环节。如果传感器能以数字形式输出，就可以方便地与计算机直接相连，从而简化系统结构，提高精度。这种传感器与计算机相连的总线可称为传感器总线。实际上传感器总线仍属于现场总线，关键的问题在于如何将总线接口与传感器一体化。在广泛的工业控制领域，CAN总线可作为现场设备级的现场总线，与其它总线相比，具有很高的可靠性和性价比。这必将是CAN技术开发应用的一个主要方向。在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用BITBUS或RS-485作为通信总线。其不足主要有：一主多从，无冗余;数据通信为命令响应，传输率低;错误处理能力弱。采用CAN总线技术后即可解决上述问题。CAN网络上任何一个节点均可作为主节点主动地与其它节点交换数据;CAN网络节点的信息帧可以分出优先级，这对于有实时性要求的控制提供了方便;CAN的物理层及数据链路层有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高。CAN的上述特点使其成为诸多工业测控领域中首选的现场总线之一。根据国内外资料报道，CAN技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建设中。如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点可以随机访问，通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。适当的网关如CAN与TCP/IP协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场CAN信息转变为Internet的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为CAN的形式，此即实现了所谓的远程控制。现场总线控制系统是发展成熟的全分布式控制系统，适应了控制系统向智能化、网络化、分散化发展的趋势，具有强大的生命力。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现在总线控制系统采用双绞线、多回路的全数字化信息传输不仅提高了整个系统的可靠性和抗干扰能力，同时也大大节省了整个系统的投资、安装及后期的维护费用；现场设备的智能化及可互连和互操作性，有助于现场总线控制系统进一步向分散化、智能化、网络化方向发展。CAN(控制器局域网)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制和实 时控制的串行通信网络。CAN总线具有成本低、速度快、实时性和可靠性高的特 点，成为在世界范围内得到广泛使用的现场总线国标标准之一。由于其卓越的性 能，CAN总线的应用范围已不再局限于汽车工业，被广泛应用到自动控制、楼宇 自动化、医学设备等各个领域。智能脱扣器不仅囊括了传统脱扣器所有保护功能，而且还能够显示、设定和修改被控电路中参数并扩充了测量、控制、报警、数据记忆及传输、上下微机的通信等功能，其性能大大优于传统的常规断路器产品。智能脱扣器要在电网发生故障的情况下快速分断整体电路，又要对电网信号的采集要准确、快速、无误，这样，智能脱扣器的核心微控制单元才能准确分析采集到的信号，正确判断电网是否故障。智能型断路器分为以下几个发展阶段： (1)以低端8位微控制器为核心的智能断路器保护装置。这是智能断路器的最初发展阶段，微控制器多数以8位机为主，最具代表性的就是51单片机。特点是以8位MCU为核心，辅助以一些简单的传感器、监控设备、侍服控制、指示、显示、信息处理及控制功能。这一阶段的8位机占据价格优势，不足之处是外围设计体积大、处理速度慢、保护精度低、片内集成外设少、存储空间小(一般需要外扩);软件上基于裸机硬件编程，前后台循环运行模式，实时响应速度慢，同时大多数处十单机使用状态、无通讯控制功能。(2)以中端微处理器为核心的智能断路器保护装置。处理器性能上有所提高，出现了很多16位微控制器，通讯功能逐渐加入。但是只是初步发展阶段，绝大部分采用RS-232, RS-485通讯方式，其通讯速率、距离、资源共享RS-232适用于1 5米以内的通信。RS-48_5在性能上比RS-232有所提高但还是摆脱不了一主多从的通讯方式。(3)以高性能微处理器为核心的智能断路器高性能多功能保护装置。1、处理器性能:这一时期，中低端微控制器的价格已经不占主要优势，基十32位ARM核的微控制器、DSP等具有较高的性价比，是主流控制核心。其中ARM核是32位的，以飞利浦公司的LPC2100, LPC2200系列不I I二星公司的S3C44BOX为代表。ARM核的低功耗、高性能等突出的优点已在32位嵌入式应用中稳居第一位，ARM战胜8位微处理器的原因主要有:8位微处理器的性能不能满足人们越来越多的需求;32位微处理器越来越成熟，销售量越来越大，从 8位微处理器的价格优势将消失。DSP处理器是对系统结构和指令进行了特殊的设计，使其适合十执行DSP算法，编译效率高，指令执行速度也快，在数字滤波、FFT及谱分析等方面占据优势，比较有代表性的产品Texas Instrument的TM320系列和Motorola的DSP_5600系列。2、通信网络发展:这一时期比较流行的现场级通讯网络是现场总线，现场总线被比喻为“抓制邻域新世兀时代的起点”，是21世纪自动控制系统的主流。用新一代的现场总线抓制系统代替了传统的分散控制系统，实现通讯网络与控制系统的集成，最终形成了一个全数字化、全分散式、全开放、智能、双向、多变量、多主、可互操作和开放式互联的自动化控制系统。现场总线网可采用自定义的现场总线，也可以采用当前流行的几种现场总线，如Modbus, LonWorks, PROFIBUS, CAN-bus等，其中以CAN-bus最为流行，其具有技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的优势。智能化可通信断路器的主要特征是在智能化的基础之上具备现场总线的可通信特点，这一阶段高性能芯片都自带通信控制模块可以很方便的搭建通信网络硬件。国外在脱扣器的电子化和智能化研究和制造方面都走在我国前面，现在大约领先我国5-10年，比较有代表性的产品是ABB公司的F系列，施耐德公司的M系列，西门子公司的3WN6系列、3VF系列和3WL系列(具有内部通信总线CubicBUS，二菱公司的AE系列:我国在这一阶段大力开发第四代智能化、可通信电器产品，逐渐缩小与国外电器产品的差距，具有代表性的有DW4_5, CWI, CMI, MA40, SDWI。以上海电科所为主研制的可通信低压电器产品已形成完整的系列，并已投入批量生产，已具有与国外产品进行竞争的能力，其中DW4_5系列等产品的脱扣器已具有与工控机、PLC等通讯的功能，在国内同类产品中处十领先的地位水平，为开发我国高智能化的网络配电、控制系统及其产业化奠定了技术和物质基础。3、软件开发模式:智能控制器的灵魂是其软件程序设计，软件设计的好坏直接影响到智能控制器的性能和稳定性，采用传统的顺序结构程序设计存在微处理器利用率不高、程序设计复杂、软件修改升级困难等缺点。这一时期软件设计利用平台策略，加载嵌入式操作系统，摒弃了传统的前后太循环的编程思想，让操作系统来管理用户的应用程序，软件设计易十分工与合作，有效地提高系统的资源利用率，提高系统的实时性和可靠性，这是测控软件系统的一大革新与进步。4、装置的多功能化及产品化:影响电力质量的主要是电力网络上的电气干扰(电压跌落和剧增、电压的谐波分析、电压波动、过电压、二相不平衡等)。为了供电网络的安全、可靠与供电连续性，对电力质量必须进行有效的监控。在低压智能化电力管理系统中，引入电力质量监控器或让低压智能化断路器兼有电力质量监控功能，是当前智能化电器的一个发展方向。得益十这一阶段微控制器的位宽大、速度快，从而完全可以在一台低压断路器智能保护装置中实现多种不同的保护与控制功能，在原有电流保护和电压保护的基础之上，将电能质量监测功能集成到其中，延伸了断路器智能化的内涵，大大提高了断路器的智能化水平。这是一种经济有效方案，由十智能断路器分布十低压网络的各个供电端，通过与中央计算机通信可以获得配电网各端点的电能质量信息，记录并显示电网的波动情况。例如施耐德电气公司新世纪推出的新型Masterpact MT型框架断路器，它不仅可以测量二相电流、电压、功率、功率因数等参数，并目_能捕获电力质量事件和波形，可以进行第_51次以下的谐波分析。再如口本二菱公司21世纪推出的额定电流为31 -800A的PSS塑壳式断路器具有一个MDU数字检测显示模块，它能检测并显示负载电流、线电压、功率用电量、功率因数，并能检测3次、_5次和7次谐波以便可以进行电力质量监控。将智能脱扣器做成相对断路器独立的通用性的产品，使其使用范围不仅限于某种断路器，脱扣器的检测和维修也会相对简单。以前断路器产品的测试必须在断路器整个设备装配完成后才能进行，脱扣器产品化以后，其测试可以独立于断路器进行，这使得整个断路器的测试程序大为简化，测试时间也大为减少。当前，国内外智能脱扣器普遍采用了功能集成块或微处理器，采取“以软代硬”的措施，充分发挥了计算机快速运算的长处，使得原有的方案进一步得到了优化，实现更全面的功能。1.3 课题研究目的及主要工作通过对现场总线技术和现代智能脱扣的了解，结合当前电网改造的大趋势，可以看出设计一种结合现场总线的智能脱扣装置是有必要的。而现在10KV开关柜的脱扣器多数都是机械式的，不具备有智能脱扣装置的置换基础。为了适应自动化智能化的发展需要并结合设备的现实情况，本文设计了一种基于RS232现场总线利用步进电机实现的智能脱扣装置，主要工作包括：1.查阅相关文献资料，了解RS232总线的工作原理。2.确定RS232总线控制器的设计方案。3.利用电路设计软件，设计完成控制系统电路图。4.修改完善系统电路图，并印制PCB版图。5.根据控制要求，编写相应软件程序。6.进行软硬件联调，完成样机设计。2. 智能脱扣系统概述PCRS232总线L298N控制器单片机CAN总线步进电机脱扣开关齿轮齿条图2.1 系统原理框图基于总线的10KV开关柜智能脱扣，系统图如图2.1所示。脱扣命令由PC机发出，经由CAN总线或RS232总线传达至单片机，单片机再把控制信号传达至电机控制器L298N，电机控制器控制步进电机完成正传，步进电机带动齿轮齿条位移，触发脱扣装置开关，完成智能脱扣器动作过程。本系统是以单片机为核心控制器，CAN总线或RS232总线为传递媒介，通过步进电机和齿轮齿条实现对脱扣开关的机械控制。下文将对两种总线，单片机，电机控制器，步进电机以及齿轮齿条传动装置进行详细介绍。3. 核心控制器单片机设计整个智能脱扣装置的电气原理图见附录A，PCB版图见附录B。本章先介绍控制电路，其他部分在后续章节进行介绍。控制的核心电路包括了单片机89S51、由电容和晶振构成的时钟电路以及DS1232构成的复位电路。下面分别介绍这些组成部分的工作原理。3.1 89S59单片机选择及介绍本装置采用89S51单片机作为主控芯片，用于对输入信号的采集、处理；对机床启停运行、指示灯的控制输出；信息的发送、接收及保存，如3.1所示。单片机原名微型控制器，英文名为MicroController，它是一种集成度很高的计算机，多用于控制和智能仪器中。随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。正因为如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产，其中最为著名的当数INTEL公司生产的MCS51系列单片机15。单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:一是要有较强的抗干扰能力。由于光电传感器安装于振动强烈的冲床床身，以及实际的运行情况比较复杂，这些都对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型；二是要有较高的性价比16。结合市场情况和实验室已有条件，本装置决定选用具有40引脚封装的AT89S51单片机作为本控制电路中的主控芯片。由于51系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是ATMEI公司2003年推出的新一代89S系列单片机，其典型产品AT89S51单片机具有较高的性能价格比。本文采用ATMEL公司生产的AT89S51单片机作为监测系统的核心部件，AT89S51单片机是AT89S系列单片机中的一种，它现己广泛应用于工业控制等领域。AT89S51新增加的功能由特殊功能寄存器完成，相信日后它将更广泛地应用于工业控制、汽车控制、智能仪器仪表及电机控制等应用领域。图3.1 89s513.2 复位电路如图3.2所示，本装置采用由美国DALLAS公司生产的“看门狗(WATCHDOG)”集成电路DS1232作为单片机的复位芯片，其性能可靠、使用简单、价格低廉，能够实现单片机的按键复位、电压监视、及“看门狗”等功能。DS1232采用8引脚双列直插封装，各引脚功能如表3.1所示。图3.2 DS1232看门狗表3.1 DS1232引脚功能引脚编号名称功能1/PBRST按钮复位输入2TD看门狗定时器延时设置3TOL5或10电压监测选择4GND接地5RST 高电平有效复位输出6/RST低电平有效复位输出7/ST周期输入8VCC5V电源DS1232提供了可直接连接复位按键的输入端PBRST，在该引脚上输入低电平信号，将在RST和/RST端输出至少250ms的复位信号。将复位按键一端接地，一端接复位输入端PBRST，实现按下按键复位单片机的功能。DS1232能够实时监测向微处理器供电的电源电压，当电源电压VCC低于预置值时，DS1232的第5脚和第6脚输出互补复位信号RST和/RST。预置值通过3引脚(TOL)来设定；当TOL接地时，RST 和/RST信号在电源电压跌落至4.75V以下时产生；当TOL与VCC相连时，只有当VCC跌落至4.5V以下时才产生 RST和/RST信号。本装置将TOL引脚接地，电源电压VCC降低5%时，即低至4.75V以下时产生RST和/RST信号。当电源恢复正常后， RST和RST信号至少保持250ms，以保证微处理器的正常复位17。在DS1232内部集成有看门狗定时器，当DS1232的ST端在设置的周期时间内没有有效信号到来时，DS1232的RST和/RST端将产生复位信号以强迫微处理器复位。这一功能可以有效防止外部电路对单片机的干扰。定时器的定时时间由DS1232的TD引脚确定，本课题中将TD引脚接VCC，定时时间典型值为1200ms，最小值为500ms，最大值为2000ms，定时器的周期输入信号ST端接单片机的ALE信号22。3.3 时钟电路本装置采用单片机内部时钟方式。在单片机的高增益反相放大器的输入端引脚XTAL1和输出端引脚XTAL2之间，跨接石英晶体振荡器和微调电容，微调电容C1和C2取30pF，晶振的频率取值为12MHz，就构成了一个稳定的自激振荡器。时钟电路用于产生单片机工作是所必须的时钟控制信号，89S51单片机的内部电路在时钟信号的控制下，严格的执行指令进行工作，在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出所需要的指令操作码，然后译码，并由时钟电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，另一类用于对片外存储器或I/O端口的控制。89S51单片机各功能部件的运行都是以时钟信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作，因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性18。常用的时钟设计电路有两种方式，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。外部时钟方式是使用外部振荡器产生的脉冲信号，常用于多个单片机同时工作，以便于单片机之间的同步，一般为低于12MHz的方波。本装置使用一个单片机芯片，不需同步单片机，因而采用内部时钟方式。4. 步进电机模块设计步进电机模块实物图如图4.1图4.1 控制模块实物图4.1 步进电机工作原理与动态特性步进电机简介步进电机是将脉冲信号转化成角位移的电磁机械。其转子的转角与输入的脉冲数成正比，其速度与单位时间内输入的脉冲数成正比，电机运动的方向则取决于脉冲的顺序。步进电机有以下优点：(1)可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。(2)位移与输入脉冲相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。(3)无刷，电机本体部件少，可靠性高。(4)易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好。(5)停止时，可有自锁能力。(6)步距角选择范围大，可在几十角分至180。大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，可以不经减速器直接驱动负载。(7)速度可在相当宽范围内平滑调节。能够同时用一台控制器控制几台步进电机使它们完全同步运行。随着运动控制系统数字化的到来，步进电机的应用目益广泛。例如：计算机外围设备(如打印机、磁盘驱动器、数字绘图仪、纸带穿孔机)，现代化办公设备(如复印机、传真机)，材料输送机、数控机床、工业机器人等仪器设备。步进电机的工作原理下面就步进电机中的反应式步进电机的工作原理做一介绍，反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组，电机的运行是由励磁后的定子绕组产生的反应转矩作用来实现。图3.1为三相反应式步进电机的作原理图，其定予有六个级，每个级上装有控制绕组，相对的两级绕组成一相。转子卜有四个均匀分布的齿，其上没有绕组。当A相控制绕组通电时，转子在磁场力的作用下与定予齿对齐，即转予齿1、3和定子齿A、A 7对齐，如图4.2(a)所示。若切断A相，同时接通B相，在磁场力作用下转子转过30。，使转予齿2、4和定子齿B、B对齐，如图4.2(b)所示。如再使B相断电，同时C相控制绕组通电，转子又转过30。，使转子齿1、3和定予齿c、c对齐，如图4.2(C)所示。如此循环往复，并按ABcA顺序通电，步进电机将按照一定方向转动，步距角为30。步进电机的转速取决于控制绕组接通和断开的变化频率，电机的旋转方向取决于绕组通电的j顿序，如果按AcBA顺序通电，电机按照相反的方向转动。从一相通电换接到另一相通电，称作一拍，上面的电机运行方式称为i相单i拍式运行，所谓“单”是指每次只有相绕组通电，“三拍”是指一个通电循环周期换接了三次，即A、B、c三拍。图4.2 工作原理图三相反应式步进电机也可以三相双三拍方式运行，即通电方式按ABBCCAAB的顺序，每次有两相绕组同时通电。此外，还有三相单、双六拍通电方式，即AABBBCCcAA，六拍为一通电循环。实际步进电机的转予圆周上和定子磁极上都有均匀分布的矩形小齿，转子和定子的齿数有一定比例的配合，使得两者的的矩形小齿的齿矩、齿宽相等。当某相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，使转子齿和定子齿对齐，以使其磁阻最小，此时转子只受径向力而无切向力作用，其转矩为零。各种步进电机绕组连接及出线方式不同，励磁状态差别也很大，步进电机在工作过程中，励磁状态是周期性循环变化，每完成励磁状态转换的一个循环，电机转过一个齿距。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。4.2 步进电机的控制原理不管是哪一种类型的步进电机，其控制系统都是相似的。如图43是典型的步进电机开环控制系统结构框图，主要由步进电机运动控制器、步进电机驱动器和步进电机三部分组成。图4.3 系统原理结构图步进电机驱动器主要包括环形分配器和功率放大器两部分。其中环形分配器又称脉冲分配器，它的主要功能是接收来自于控制器的脉冲信号，并按步进电机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通和截止的信号，并将此信号送给功率放大器。步进电机的脉冲分配器其实就是一循环计数器，由于步进电机有反转的要求，所以分配器的输出不光是周期性的，电是可逆的。而且这种计数器的输出不是一般的编码，是由电机各绕组励磁状态要求的特殊编码。在步进电机的实际应用中，脉冲分配器既可以单纯由软件来代替，也可以通过EPROM和可逆循环计数器来组成，或者可以采用可编辑逻辑器件CPLD来实现由于脉冲分配器输出的功率极小，只有几毫安电流，而步进电机相绕组一般需要几安至十几安的电流(脉冲电流幅值直接影响到步进电机的转矩大小)，所以脉冲分配器不能直接驱动步进电机工作，必须通过功率放大器进行放大，才能给步进电机各相绕组提供足够的电流。此外，步进电机驱动器在相数、通电状态、电压、电流上要符合所控制的步进电机的技术参数要求。步进电机运动控制器则是控制系统的核心部分，它根据运动控制要求提供给步进电机驱动控制信号，该控制信号包括脉冲信号、脉冲方向信号、控制方式信号。运动控制器提供给步进电机的驱动信号是标准的信号，不论哪种驱动器都能接受这样的信号，从而为开放式的控制提供了标准接几。这样为步进电机设计的运动控制器就可根据不同的需要与不同的驱动器连接使用。为了控制的方便，步进电机一般有两种不同的控制模式可以供选择。控制模式是由控制方式信号来设置的：一种是脉冲方向模式，在这种控制模式下，脉冲信号控制的是步进电机的运动，方向信号控制的是步进电机的运动方向(即正、反转)；另一种是脉冲模式，此时两路脉冲信号分别控制步进电机的正转和反转运动，这样对于某些只需要一个方向运动的应用场合，可以省去一路信号，简化设计。步进电机的运动控制步进电机的运动控制分为：速度控制、位置控制和加减速控制。自从微处理器问世以来，各种单片计算机以及其他微处理器(比如：数字信号处理器DSP)应用在步进电机运动控制器中，_F面介绍的步进电机运动控制就是以微处理器作为运动控制器。(1)速度控制控制步进电机的运行速度，实际上就是控制步进电机运动控制器发出脉冲信号的频率。控制器可用两种方法确定脉冲的频率，一种是延时，一种是定时器。延时方法： 在每次发出脉冲之后，调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行发脉冲的子程序，这样周而复始，即可发出定频率的脉冲信号。延时子程序的延时时间与发脉冲子程序所用时间的和，即使脉冲的用期。定时器方法： 微处理器内部都有可编程定时器。将发脉冲予程序放在定时器中断服务程序中，定时器中断一次，控制器发出一个脉冲，从而实现对电机的速度控制。(2)位置控制所谓位置控制，就是控制步进电机拖动负载从一个位置运行到另一个位置，要求电机实际运行的步数与设定值相符。对步进电机进行位置控制一。般需在系统内设置两个坐标系，一个是绝对坐标系，一个是增量坐标系。所谓绝对坐标系，实际上是整个系统设定的坐标系，有一个起点，有一个终点，两点之间的电机运行的总步数称为最大行程。系统的绝对坐标值，即是电机转角代表的系统的位置坐标，电机运行过程中，绝对坐标值一直跟踪系统位置的变化。系统还需对坐标值经常进行检测，一旦发现越限故障，即发出报警信号。所谓增量坐标值，实际是记录在一个工步内系统位置的变化。例如，系统从一个位置按一定的速度运行到另一个位置，两个位置绝对坐标位置值的差称为增量坐标值。如向正方向运动，则增量坐标值为正号；如向负方向运动，则增量坐标值为负号。系统在运动之前，增量坐标值最大，在开始运行后，增量坐标值递减，当减至增量坐标值为零时，说明系统已走完需要的步数，停止运动。(3)加减速控制在位置控制中，电机从起点至终点的运行速度都有一定的要求。由步进电机的启动矩频特性可知，如果要求的运行速度小于电机的最大启动频率，则电机可以以要求的速度直接启动，运行至终点后可立即停止发脉冲信号而令其停Lt。但在一般情况下，系统的最大启动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高。如果电机以要求的速度直接启动，因为该速度已超过最大启动频率而不能正常启动，可能发生失步或根本不能运行的情况。电机运行起来之后，如果到达终点时立即停止发脉冲信号，令其立即停止，则因为惯性的原因，会发生冲过终点的现象，使得位置控制发生偏差。因此，在位置控制过程中，运行速度需要一个加速恒速减速一停止的过程20。对于非常短的距离，如在数步范围内，电机的加减速控制没有实际意义，只要按启动频率运行即可。在稍长距离时，电机可能只有加减速而没有恒速过程。对于中等或较长的运行距离，电机加速后必须有一个恒速过程。各种步进电机运动控制系统在工作过程中，都要求加减速过程时间尽量短，而恒速的时间尽量长。因此，在加减速控制中，升速时的起始速度应等于或略小于电机的最大启动频率，而不是从零开始。减速过程结束时的速度一般应等于或略低于起始速度。4.3 电动机的选用电动机选用42BYGH步进电机，如图4.4 图4.4 步进电机图为4线2相步进电机的各项具体参数。4.3 L298N驱动简介 L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，L298N基本属性如图4.5所示。图4.5 驱动基本属性4.4 L298N引脚简介如图4.6图4.6 L298N4.5 L298N内部逻辑 如图4.7 图4.7 内部逻辑5. 现场总线技术概论本设计上位机对智能脱扣装置可采用CAN总线和RS232总线进行控制，CAN总线电路图如图5.1所示，RS232总线电路图如图5.2所示。图5.1 CAN总线图5.2 RS232总线5.1 现场总线的产生工业控制系统中测控仪表的传输信号经历了从最初的四线制模拟量到统一的两线制420mA标准模拟量再到集中式数字量的发展过程，在精度、抗干扰能力以及整个控制系统的控制效果和系统稳定性方面都得到了逐步改善。70年代中期，随着计算机可靠性的提高，出现了数字调节器、可编程控制器以及由多个计算机递阶构成的集中和分散相结合的集散控制系统(DCS)，并从80年代开始得到了普遍应用。集散控制系统是一种模拟数字的混合系统，在功能和性能上又实现了大进步。但是，DCS属于封闭式的控制系统，由于各厂商不论大小，都有其独到之处、各具特色，因此其产品也自成系统，只能通过网关等才能与其他厂家的设备互连，与他们的系统进行互操作，难以组成更大范围内信息共享的网络体系。然而，用户需要的是开放式控制系统，以便择优选择不同公司的产品，从而达到系统的最佳集成。DCS中的测量变送仪表仍为模拟仪表，随着生产规模的不断扩大，检测的点数和控制回路急剧上升，DCS系统不可避免地会造成信号堵塞而出现“瓶颈”现象，降低了系统的安全性与可靠性。因此，迫切需要一种全数字化、双向、多变量的通信规程，来代替正在流行着的420mA单变量、单向模拟传输方式。各个厂家为此迸行了大量的工作，他们各自采用了不同的手段和不同的信号标准，结果导致了智能化工业控制仪表的不兼容。鉴于这种情况，国际电工技术委员会从1985年即开始着手制定国际性的智能化现场设备和控制室自动化设备之间的通信标准，并命名为现场总线(Fieldbus)。这样现场总线诞生了，并迅速成为自控技术的热点7。5.2 现场总线的概念按照国际电工委员会IEC61158标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。”一般认为，现场总线是一种丌放、全数字化、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统的工业总线，现场总线在企业网(Intranet)内是处于最底层的控制系统。现场总线的出现受到了世界范围的关注，已成为自动化领域技术发展的热点之一。它使传统的集散控制系统无论是在结构上还是在性能上都出现了巨大变革，标志着工业控制技术新时代的开始8。5.3 CAN总线部分介绍5.3.1 CAN总线分层结构CAN总线作为一种国际标准总线，也遵从ISOOSI的网络标准模型。按照EEE802。2和8023，它的网络层次分为应用层、数据链路层和物理层。其中数据链路层包括逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC)；物理层分为物理信令(PLS)、物理媒体附属装置(PMA)、媒体相关接口(MDI)。而应用层是用户自己定义实现的，用户可以通过对数据链路层提供的接口编程来实现自己在网络系统中所要实现的功能。数据链路层和物理层是被固化在CAN控制器芯片中，下面主要介绍这两层。CAN总线数据链路层我们已知CAN总线的数据链路层包括逻辑链路层(u)和媒体访问控制层(MAC)，下面分别对这两个子层进行介绍。LLC子层提供的功能主要包括：帧接收滤波、超载通知、恢复管理等。(1)帧接收滤波：在CAN总线的数据传输中，帧是由其前部的标识符来命名的，标识符描述帧的类型和其中数据的含义，不同的帧的标识符不同；当网络中某节点发现总线上有数据传送时，位于LLC子层的帧接收器通过帧接收滤波来判断此帧是否与其相关。(2)超载通知：当接收器的内部条件不满足接收下一帧的条件的时候(比如接收器已满)，就会要求发送方延时发送下一帧，这时就会由LLC子层向总线发送超载帧。(3)恢复管理：在数据发送期间，对于丢失仲裁或存在被错误干扰的帧，LLC子层具有自动重发送的功能。CAN总线物理层物理层是将电子控制单元(ECU)连接至总线上的具体电路实现，规定了通信介质的物理特性，包括电气特性和对信号交换的解释等。CAN总线的物理层可以划分为三个部分：物理信令(PLS)、物理媒体附属装置(PMA)和媒体相关接口(MDI)。CAN总线网络上的每个节点在物理层对应于一个电子控制单元(ECU)。总线驱动可以采用单线上拉、单线F拉、双线驱动、差分驱动等。CAN总线物理层可以选择多种传输介质，最简单且最常用的是双绞线，总线上的信号采用双线差分电压方式发送，两条信号线分别为Vcm和Vc“L。CAN总线的总线状态分为两种互补的逻辑状态：显性和隐性，其中显性电平表示逻辑0，而隐性电平表示逻辑1，当有显性和隐性电平同时向总线发送时，则实际总线状态为显性电平；而当总线处于总线空闲状态时，总线上的电平为隐性电平。在电气上，隐性电平和显性电平的不同是用VCAUH和VcANL差分值V蝴的不同来表示，隐性电平时V蚶值近似于零，而显性电平时V衄值大于最小阀值电压(46mv)。按照ISOll989标准建议的物理层电气特性，用于信号传输的双绞线在有一根断开、任意一根与电源或地短路、两根线在同一位置断开的情况下，都可以保持正常通信，因此CAN总线的通信具有很高的可靠性13。5.3.2 CAN控制器SJA1000CAN控制器SJA1000在系统中连接微控制器89S51和总线收发器PCA82C250。SJA1000的模块结构图如图3-1所示。图3-1 CAN控制器SJAIOOO的模块结构CAN就是总线型结构的一种适合工业现场自动控制的计算机局域网络。在网络的层次结构中，数据链路层和物理层是保证通信质量是至关重要、不可缺少的部分，也是网络协议中最复杂的部分，CAN控制器SJA100O就是扮演这个角色，它是以一块可编程芯片上的逻辑电路的组合来实现这些功能，对外它提供了与微处理器的物理线路接口。通过对它的编程，CPU可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接受，把应用层建立在它的基础之上24。SJA1000是独立的CAN控制器，是PHILIPS公司生产的与PCA82C20O兼容的更新换代产品，在硬件和软件都兼容，因此它将会替代PCA82C20O。SJAIOOO有一系列先进的功能适合于多种应用，特别在系统优化诊断和维护方面非常重要，为了实现软件兼容，有2种不同模式可以选择:Basic CAN模式与PeliCAN模式。SJAIOOO独立的CAN控制器有2个不同的操作模式:1.BasicCAN模式(和PCA82C200兼容)2.PeliCAN模式在BasicCAN模式中，SJA1000兼容PCA82C200独立控制器所有已知的寄存器，SJA100O即可工作在BasicCAN模式中，执行CAN2.OA协议，又可工作在PeliCAN模式，支持CAN2.OB协议。在这两种模式中又都有2种状态模式:操作模式、复位模式。在这两种模式中SJA1000寄存器从数量、地址分配到功能等方面都有区别22。本装置在CAN总线通信过程中发送扩展帧，因而选用PeliCAN工作模式。SJA1000有以下七个控制模块:1.接口管理逻辑(IML)接口管理逻辑解释来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址，向主控CPU提供诊断信息和状态信息。2.发送缓冲器(TXB)发送缓冲器是CPU和位流处理器BSP之间的接口。它能够存储要通过CAN网络发送的一条完整的报文。缓冲器长