DSP交流伺服系统与CAN总线的通信设计

1 DSP的CAN控制器

　　TI公司的低功耗、高速DSP芯片TMS320LF2407A具有高速运算能力和高效控制能力。其内嵌的CAN控制器是一个完全的CAN控制器，完全支持CAN2.0B协议，它主要有以下特点：有6个邮箱，其数据长度为0～8 B，其中接收邮箱有局域接收邮箱屏蔽寄存器，在发送出错或仲裁时丢失数据的情况下，有自动重发功能、可编程的位定时器和总线错误诊断功能。

　　CAN控制器的内部结构图如图1所示。　

图1 CAN控制器的内部结构图

　　工作过程如下：CAN控制器在接收信息时，先将要接收信息标识符与相应接收邮箱的标识符进行比较，只有标识符相同的信息才能被接收;接收信息时，将数据存入邮箱，标识符存入相应的寄存器;接收完成后，中断标志位被置位。CAN控制器在发送信息时，先将要发送的数据写入邮箱，再设置发送请求位，发送完成后发送应答信号和中断标志位被置位，如果发送失败，发送邮箱将再次发送。

2 系统结构

　　使用CAN总线的交流伺服系统结构原理图，如图2所示。　

　
图2 CAN总线的交流伺服系统结构原理图

　　上位机采用带有CAN适配卡的通用计算机，上位机的主要功能是：通过CAN总线接口与DSP进行通信，接收DSP传来的数据进行处理并向节点发送控制指令。节点负责数据采集、控制、执行。上位机和节点之间通过CAN网络实现数据交换。

　　CAN卡采用的是研华的双端口隔离CAN总线通信卡PCL一841。由于带有内置的CAN控制器，841能够提供总线仲裁及查错功能，可以在检查到错误时自动重发数据，极大地降低了数据丢失的几率，有效地保证了系统的可靠性，工作的波特率可达1 Mb/s。

　　核心控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A。2407A是电机专用控制芯片，将DSP的高速运算能力和面向电机的高效控制能力集于一体，其高速性使复杂的控制策略得以实现。DSP是整个系统的控制核心，由其来实现矢量控制、SVPWM、数字PI等控制策略，完成速度、电流调节及PWM调制。DSP与CAN物理总线之间采用PCA82C250作为接口，它可提供对总线的差动发送和对CAN控制器的差动接收能力，具有较强的抗干扰能力，通过对其引脚8(Rs)的不同连接可以实现3种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机方式。接口电路如图3所示。该系统将该引脚通过30 kΩ电阻接地，实现斜率控制方式，以降低射频干扰。因为DSP是3.3 V供电，而82C250用5 V供电，所以需要电平转换电路，必要时也使用隔离电路。

图3 接口电路

　　电流检测采用两个30 mΩ的采样电阻检测电机两相电流，另一
相可由三相定子电流的对称性计算得到。先通过HCPL788J将小电流信号变换为电压信号，再经LM324进行放大滤波，变换为O～3.3V的单极性电压信号送到2407A的10位A/D单元进行转换。速度检测采用增量式光电码盘，分辨率为2 500 p/r，提供A，A，B，B，Z，Z，U，U，V，V，W，W信号，其中A，B正交，Z为标志脉冲信号，U，V，W互差120°电角度。由A，B两个脉冲序列哪个先到达可确定电机的旋转方向，由脉冲数和脉冲频率可确定角位置和转速，由U，V，W信号可确定转子初始位置。[page]

3 软件设计

　　3.1 系统软件

　　系统软件完成整个系统大部分的功能：转速调节、电流调节、矢量变换、磁场定向控制、电流计算、角度及转速计算、键盘和显示、以及通过CAN与上位机通信。

　　系统软件包括两大部分：主程序和中断服务子程序。主程序完成DSP系统初始化、运行初始化、键盘/LCD控制、运行过程的控制以及故障检测及处理等，其中运行初始化包括定时器和比较单元参数的初始化、转子初始位置确定。在中断子程序中，实现转速环和电流环的控制，完成电机的矢量控制策略，实现转速控制：转速环周期为1 ms，完成转速和位置角度的计算，计算得到的实际转速与给定转速的误差通过转速调节器得到电流Q轴分量的给定值，作为电流环的输入;电流环由PWM定时中断实现，完成相电流的采样、坐标变换等计算，将实际值与给定值比较的误差通过电流调节器，再进行SVPWM脉宽调制，即可得到需要的PWM波形。

　　3.2 CAN通信软件设计

　　CAN总线的软件设计包括3个主要部分：CAN芯片的初始化、信息的发送、信息的接收。CAN芯片的初始化包括位定时器的设置及对邮箱进行初始化。设置位定时器就是对寄存器BCRl，BCR2进行设置，确定CAN控制器的通信波特率、同步跳转宽度、采样次数和重同步方式。初始化邮箱主要是设置邮箱的标识符、发送的是数据帧还是远程帧、对发送数据区赋初值。

　　信息的发送采用查询的方式，接收可采用中断方式，也可采用查询方式。流程如图4和图5所示。　　

图5 接收可采用中断方式流程

　　调试时，可先编写自测试程序(MCR的ATM位置1)，然后分别调试发送和接收模块，最后进行收发联调，这样可以加快调试进程。需要注意的是，在自测试模式时，不需要与CAN总线相连，接收信箱接收CAN自身的发送信箱发送的信息帧，产生应答信号，但是不能接收标识符。接收信息时，注意接收屏蔽使能位AME的设置：AME=0时，禁止相应的标识符屏蔽，接收信箱的标识符必须与被接收的信息标识符相符才能接收;AME=1时，使能相应的标识符屏蔽，设置局部接收屏蔽寄存器(LAM)。

4 结 语

　　这里主要是在实验室环境下，对CAN总线在变频器系统中的应用做了研究，将TMS320LF2407A用于变频调速系统，充分利用DSP强大的运算功能和丰富的外围接口电路，同时，将CAN总线引入到现场数据的传输中，从而提高了网络的可靠性和容错能力。实验结果表明，该系统正确、可靠、扩展性好。CAN总线抗干扰性强，控制效果较好。CAN总线上如果有多个以2407A为控制核心的变频调速系统，以不同的标识符来区别各个节点，多节点DSP的硬件接口设计与单节点的设计完全一样。