CAN总线在多电机软起动系统中的应用

1 引言

    随着国民经济的飞速发展，交流电动机在工业生产中扮演了极为重要的角色，作为各行业中的主要拖动电机，应用更为广泛。众所周知，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。

    当前软起动器的监控一般由各自独立的监控单元进行，无法对整个系统实现全面的控制和监测。因此，建立一套数据通信系统将各软起动监控节点连接起来，组成完整的监控网络就显得非常必要。

    相对于RS-485等通信标准，CAN（Controller Area Network）总线以其具有的诸多优点而在许多领域得到了应用。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、成本低等诸多优点。CAN总线是一种非常适合工业现场恶劣环境的通信方式。本文介绍了一种基于CAN总线的交流电机软起动通信系统。

2 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。系统结构如图1所示。

    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。

3 CAN通信协议

    本通信系统中，传输的数据长度不是固定的。工控机向软起动器下达的控制命令只有几个字节，而软起动器向工控机上传的软起动实时数据一般有几十个字节。因此CAN通信协议需要有大数据量传输能力，又要快速高效。由于CAN通信采用短帧结构，每帧有效数据长度最多为8个字节，在传输数据量较大时，就要将数据拆分为多个帧进行传输。如果将所有信息和数据都放在8个字节的数据场中，将会使传输帧中有效数据少，通信信息多，降低CAN总线通信效率。所以，本文采用了利用报文标识符中的仲裁场包含通信控制信息，数据场包含实际数据的方法，以提高通信效率。

    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，其格式如表1所示。

    其中紧急标记仅有1位，用来标记当前帧的优先级，对于一般信息，该位置1，对于紧急信息（如三相电压不平衡、过流、软起动器组件故障等报警信号）该位置0，从而使其拥有高优先级，尽快传送到目的地。 [page]

    目的地址共7位,指示该帧所要到达的目的地,可以是某一具体地址,也可以是广播地址（主要用于工控机以广播方式向各软起动器传送数据,如对时数据等）。

    源地址共7位，指示该帧的来源地址。

    帧类型有4位，说明了该帧的类型，如工控机控制命令、软起动实时数据等。

    帧号共8位，用来在多帧传输中标记该帧的序号。

    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。

    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。

4 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，电路原理如图2所示。

    SJA1000是一款独立的CAN控制器，具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议。PCA82C250为总线收发器，主要功能是增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，实现热保护等。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000通过高速光耦6N137与PCA82C250相连，这样就很好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。光耦两侧电源完全电气隔离，隔离电源由小功率电源隔离模块B0505提供。

5 软起动器CAN通信程序设计

    软起动器上电后，首先进行自检，自检完成后向工控机发送自检结果；若自检成功，工控机向软起动器发送软起动初始化参数和“允许起动”命令，电机开始软起动；软起动过程中，软起动器每隔100ms发送一次软起动数据，包括三相电压、三相电流、电机转速等信息；电机运行完毕，工控机发送“软停车开始”命令，软起动器开始控制电机软停车；当软起动器出现故障时，工控机会收到故障报警信号，同时显示故障原因。

    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。CAN初始化程序流程如图3所示。[page]

    报文发送时，只需将待发送的数据按照通信协议规定组合成一帧报文，送入发送缓冲区，然后启动发送即可。其程序流程图如图4所示。

    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。其程序流程图如图5所示。

6 结束语

    本文设计的是一个可靠、高效的交流电机软起动通信系统，利用CAN总线技术，实现了电机软起动远程控制和监测功能。该系统已成功应用于某水泵站电机软起动系统中，实践证明，该系统抗干扰能力强，实时性能好，运行稳定，达到了设计要求。