基于CAN总线的电动执行机构的设计

1 基于基于 CANCAN 总线的电动执行机构的设计总线的电动执行机构的设计 摘摘 要要 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 关键词关键词 CAN 总线 电动执行机构 PIC18F458 Design of electric actuator based on CANbus Abstract Realizing long distance monitoring of electric actuator is the hot investigation now This paper introduces the design of electric actuator including its control circuit drive circuit and CANbus interface based on CANbus realizes CANbus communication by CANbus interface card between a pc and electric actuator with VC The result shows its reliable perfect control effect Keywords CANbus electric actuator 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 Controller Area Network 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 1 硬件设计硬件设计 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 PIC18F458 单 片 机 驱动器 82C250 CAN 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 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 单片机及单片机及 I OI O 部分部分 2 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 8 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 21 2 CANCAN 通讯部分通讯部分 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 CANTX RB2 CANRX RB3 7 PIC18F458 120 82C250 NC VCC VDD EN IN OUT NC GND 360 2 3 8 6 5 VCC NC EN VD D OUT IN GND NC TXD RS GND CANH VCC CANL RXD VREF 35 360 30Pf ffc ccc dd d 2 f 30Pf 5v 360 6N137 6N137 360 36 5 6 7 2 3 2 1 3 4 6 7 8 8 vcc 图 2 82C250 与 PIC18F458 接线 图 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 3 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 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 20 120 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 DC AC SSR1 DC AC SSR2 RA1 RA2 220 M PWM 5v CD4050 CD4023 CD4069 C C R R CD4023 CD4069 CD4050 L N 图 3 电机控制原理图 2 2 电动执行机构电动执行机构软件设计软件设计 程序流程图如图 4 电动执行机构软件采用 MPLAB IDE7 5 开发平台及 MCC18 软件 编 4 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 Y N 数据上传 CAN 初始 化 图 4 电动执行机构程序流程图 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 2 1 CANCAN 通讯通讯 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 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 5 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 3 3 CANCAN 总线通信的实现总线通信的实现 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 4 结束语结束语 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 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 MICROCHIP PIC18FXX8 DATA SHEET CP DK 2005 3 胡光永 CA N 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 17