專利名稱：一種現(xiàn)場(chǎng)總線型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及總線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種具備現(xiàn)場(chǎng)總線通信與交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一體化功能的CANopen電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。
背景技術(shù)：
作為一種新興的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，CANopen正在得到更多更廣泛的應(yīng)用，但是它還有很多方面還處于待開(kāi)發(fā)或正在開(kāi)發(fā)階段，尤其是關(guān)于驅(qū)動(dòng)裝置的開(kāi)發(fā)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于CANopen有了相對(duì)成熟的開(kāi)發(fā)方案,但是涉及到具體的驅(qū)動(dòng)裝置,很少有企業(yè)或機(jī)構(gòu)在從站的基礎(chǔ)上特別的設(shè)計(jì)負(fù)載驅(qū)動(dòng)單元。有關(guān)CANopen驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，目前大多數(shù)企業(yè)都是直接把驅(qū)動(dòng)裝置與可編程序控制器相連或采用“CANopen+固態(tài)繼電器”的方法，這樣帶 負(fù)載的方式在小規(guī)模的應(yīng)用上可以達(dá)到要求，在大規(guī)模集成化的應(yīng)用上，這兩種方式不僅用線較多、繁雜，而且整體驅(qū)動(dòng)裝置成本很高，沒(méi)有達(dá)到大多數(shù)人的認(rèn)可。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決工業(yè)系統(tǒng)中CANopen驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)問(wèn)題，提供一種現(xiàn)場(chǎng)總線型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。該裝置同時(shí)具有CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線通信功能和三相交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功能，通信符合CiA定義的CANpen協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以及DS301規(guī)定，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置可直接驅(qū)動(dòng)一臺(tái)三相交流電機(jī)，并且可以通過(guò)無(wú)觸點(diǎn)固態(tài)接觸器開(kāi)關(guān)方式，實(shí)現(xiàn)三相交流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，能滿足連續(xù)或頻繁斷續(xù)工作要求。本發(fā)明提供的現(xiàn)場(chǎng)總線型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置包括CANopen通信接口單元硬件結(jié)構(gòu)包括雙向連接的微處理器(自帶CAN控制器)和CAN收發(fā)器；該接口單元用于與CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，微處理器主要完成對(duì)處理器內(nèi)部CAN控制器初始化等工作，并利用微處理器內(nèi)嵌的CANopen協(xié)議棧代碼，完成與CANopen總線的數(shù)據(jù)通信；輸入信號(hào)接口單元主要由輸入光耦隔離電路構(gòu)成，并與CANopen通信接口單元中的微處理器連接；外部24V輸入信號(hào)通過(guò)輸入光稱電路,完成對(duì)輸入信號(hào)的處理,并將輸入狀態(tài)信息傳送給微處理器進(jìn)行接收；三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口單元包括與CANopen通信接口單元中的微處理器連接的功率驅(qū)動(dòng)電路，以及同時(shí)與功率驅(qū)動(dòng)電路連接的三相輸出光耦隔離電路，三相輸出光耦隔離電路分別經(jīng)雙向可控娃連接三相交流電機(jī)的三個(gè)電極；該接口單元接收CANopen通信接口單元中的微處理器的輸出信號(hào)后，經(jīng)過(guò)光耦隔離電路完成對(duì)雙向可控硅進(jìn)行交流電的通斷操作來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這樣可直接驅(qū)動(dòng)一臺(tái)三相交流電機(jī)。所述的CANopen通信接口單元中的微處理器為AT90CAN128，AT90CAN128是具有CAN控制器的AVR微處理器，一片AVR芯片上集成了微處理器和CAN控制器的功能。它通過(guò)內(nèi)部的Mob設(shè)置CAN幀格式和存放數(shù)據(jù)，與CAN收發(fā)器完成CAN的收發(fā)，運(yùn)行整個(gè)軟件協(xié)議棧代碼進(jìn)行與CANopen總線的數(shù)據(jù)通信；
所述CANopen通信接口單元中的CAN收發(fā)器為CTM1050，是具有隔離功能的高速CAN收發(fā)器，主要完成將微處理器AVR內(nèi)CAN控制器發(fā)出的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，具有隔離功能和ESD保護(hù)作用。所述三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口單元中的光耦隔離電路輸入側(cè)接收微處理器I/O 口傳輸?shù)拈_(kāi)關(guān)電信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的隔離和轉(zhuǎn)換，輸出驅(qū)動(dòng)側(cè)連接雙向可控硅的使能驅(qū)動(dòng)G端，這樣光耦完成了開(kāi)關(guān)信號(hào)與雙向可控硅驅(qū)動(dòng)芯片的信號(hào)隔離和開(kāi)關(guān)作用。雙向可控硅三路雙向可控硅觸發(fā)G端接收光耦電路發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)，三路輸入端接入380V三相交流電，三路輸出端接三相交流電機(jī)。這樣，通過(guò)光耦電路的觸發(fā)信號(hào)就可以對(duì)三相交流電機(jī)的啟停進(jìn)行控制。在雙向可控硅的選擇上，可根據(jù)負(fù)載的要求選擇合適功率的雙向硅芯片。由于微處理器I/O 口信號(hào)要驅(qū)動(dòng)三路光耦輸入側(cè)，一般的，要在微處理器和光耦驅(qū)動(dòng)電路之間增加驅(qū)動(dòng)電路。這樣微處理器將信號(hào)按照其光耦輸入側(cè)毫安電路級(jí)別的要 求，轉(zhuǎn)換為三路灌電流信號(hào)使能光耦隔離電路。此外，裝置在雙向硅的輸入和輸出測(cè)設(shè)計(jì)了并聯(lián)的阻容吸收電路和壓敏電阻，他們能夠有效吸收和消耗電路斷開(kāi)時(shí)感性負(fù)載產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)，可防止過(guò)電壓造成的負(fù)載絕緣擊穿可有效抑制操作過(guò)電壓的瞬間振蕩和高頻電流，使過(guò)電壓的波形變緩，陡度和幅值降低，再加上電阻的阻尼作用，使高頻振蕩迅速衰減。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果本發(fā)明結(jié)合CANopen從節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了具有現(xiàn)場(chǎng)總線通信與交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一體化功能的CANopen電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。該發(fā)明具有CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線通信功能,通信符合CiA定義的CANpen協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以及DS301規(guī)定并可直接驅(qū)動(dòng)一臺(tái)三相交流電機(jī)。驅(qū)動(dòng)裝置采用無(wú)觸點(diǎn)固態(tài)接觸器開(kāi)關(guān)方式，實(shí)現(xiàn)三相交流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，能滿足連續(xù)或頻繁斷續(xù)工作要求。該裝置可實(shí)現(xiàn)主干網(wǎng)線最大200米的實(shí)時(shí)通信，以及100個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模要求。有了該驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信和三相交流電機(jī)控制的支持，相較于國(guó)內(nèi)流行的直接把驅(qū)動(dòng)裝置與可編程序控制器相連或采用“CANopen+固態(tài)繼電器”的方法更加高效和節(jié)約成本，具有重大的實(shí)際意義。


圖I為系統(tǒng)的總體框圖；圖2為輸入信號(hào)接口單元電路原理圖；圖3為CANopen通信接口單元電路原理圖；圖4為三相交流電機(jī)接口單元電路中，微處理器輸出驅(qū)動(dòng)的電路原理圖；圖5為三相交流電機(jī)接口單元電路中，光耦和雙向可控硅的連接原理圖。
具體實(shí)施例方式圖I為系統(tǒng)的總體框圖。其中，單元I為CANopen通信接口單元，單元2為輸入信號(hào)接口單元，單元3為三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口單元。在各個(gè)部分的電源端口，接短路保護(hù)電路。虛框內(nèi)的范圍為設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，它可以接入CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)并驅(qū)動(dòng)三相交流電機(jī)。
本系統(tǒng)CANopen通信接口單元以采用自帶CAN控制器的AVR微處理器AT90CAN128為核心，在它的基礎(chǔ)上與其他兩個(gè)接口單元進(jìn)行連接，用以實(shí)現(xiàn)各部分的功能等。從上述框圖中可以看出，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為三部分第一部分為輸入信號(hào)接口單元電路，由光耦隔離電路構(gòu)成，這部分主要是將外部無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)信號(hào)到微處理器的接收部分；第二部分為CANopen (現(xiàn)場(chǎng)總線)通信接口單元，包括雙向連接的微處理器和CAN收發(fā)器；主要完成CANopen的初始化、組態(tài)和配置等部分，實(shí)現(xiàn)與CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的通信；第三部分是(輸出)三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口單元部分，包括與CANopen通信接口單元中的微處理器連接的功率驅(qū)動(dòng)電路，以及同時(shí)與功率驅(qū)動(dòng)電路連接的三相光耦隔離電路，三相光耦隔離電路分別經(jīng)雙向可控硅連接三相交流電機(jī)的三相交流；這部分主要處理微處理器的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三相交流電機(jī)的啟?？刂?。各部分的具體連接電路詳述如下圖2為輸入信號(hào)接口單元電路(第一部分)，它是圖I中的單元2。其中sigl為信號(hào)輸入線，它連接24V輸入電信號(hào)，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)光稱芯片PC817的光電隔離。由于米用了灌電流的方式進(jìn)行輸入信號(hào)的輸入，考慮微處理器AT90CAN128的扇入扇出系數(shù)，使用74LS245，再由74LS245的輸出傳遞給微處理器的I/O 口以便接收。由于采用了灌電流的方式進(jìn)行輸入信號(hào)的輸入，考慮微處理器AT90CAN128的扇入扇出系數(shù)，使用74LS245可以有效的保護(hù)微處理器的I/O 口。圖3為CANopen通信接口單元電路(第二部分)，它是圖I中的單元I。相比于其他微處理器，本發(fā)明采用的微處理器AT90CAN128內(nèi)部集成了 CAN控制器，這樣的處理器省去了使用地址/數(shù)據(jù)總線要通過(guò)微處理器給CAN控制器傳輸數(shù)據(jù)的相對(duì)不穩(wěn)定性。在總線驅(qū)動(dòng)單元CAN收發(fā)器的設(shè)計(jì)上，選擇了獨(dú)立CAN收發(fā)器CTM1050，它集成了以往CAN收發(fā)單元的光電隔離和CAN收發(fā)芯片的所有功能，高速的實(shí)現(xiàn)CAN的收發(fā)。硬件連接上，把AT90CAN128 的 RXD、TXD (PD5、PD6)連接到 CTM1050 的 RXD、TXD 上。嵌入 CANopen 協(xié)議棧軟件的微處理器與CAN收發(fā)器，便可組成一個(gè)獨(dú)立的CANopen最小系統(tǒng)，接入現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。圖4為(微處理器輸出)三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口單元電路(第三部分)，即是圖I中單元3的微處理器輸出驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路是微處理器I/O 口和輸出光耦的輸入側(cè)之間的驅(qū)動(dòng)控制電路，微處理器的I/O輸出端要驅(qū)動(dòng)三路光耦隔離電路，它將傳來(lái)的信號(hào)按照其光耦輸入側(cè)毫安電路級(jí)別的要求，轉(zhuǎn)換為三路灌電流信號(hào)使能輸出光耦隔離電路。電路連接上，把微處理器AT90CAN128的I/O 口 PA4、PA5接到驅(qū)動(dòng)芯片74LS06輸出端。圖5為光耦和雙向硅的連接電路圖，即是圖I中單元3中的輸出光耦和雙向硅以及它們的連接電路。輸出光耦電路的輸入側(cè)接收從驅(qū)動(dòng)芯片傳輸?shù)拈_(kāi)關(guān)電信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的隔離和轉(zhuǎn)換。考慮到三項(xiàng)交流電機(jī)啟動(dòng)需要叫高功率的雙向硅芯片，優(yōu)選的， 根據(jù)三相交流電機(jī)的要求，本設(shè)計(jì)選取BTA24-1200B雙向可控硅芯片，本芯片最高可耐壓1200V電壓，電流支持15A。光耦的輸出驅(qū)動(dòng)側(cè)連接雙向可控硅的使能驅(qū)動(dòng)G端，三路輸入端接入380V三相交流電，三路輸出端接三相交流電機(jī)。這樣，通過(guò)光耦電路的觸發(fā)信號(hào)就可以對(duì)三相交流電機(jī)的啟停進(jìn)行控制。裝置在雙向硅的輸入和輸出側(cè)設(shè)計(jì)了并聯(lián)的阻容吸收電路和壓敏電阻，它們能夠有效吸收和消耗電路斷開(kāi)時(shí)感性負(fù)載產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)，可防止過(guò)電壓造成的負(fù)載絕緣擊穿可有效抑制操作過(guò)電壓的瞬間振蕩和高頻電流，使過(guò)電壓的波形變緩，陡度和幅值降低，再加上電阻的阻尼作用，使高頻振蕩迅速衰減。綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供了一種具備現(xiàn)場(chǎng)總線通信與交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一體化功能的CANopen電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。該裝置同時(shí)具有CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線通信功能和三相交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功能，通信符合CiA定義的CANpen協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以及DS301規(guī)定，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置可直接驅(qū)動(dòng)一臺(tái)功率不大于200w的三相交流電機(jī)，并且可 以通過(guò)無(wú)觸點(diǎn)固態(tài)接觸器開(kāi)關(guān)方式，實(shí)現(xiàn)三相交流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，能滿足連續(xù)或頻繁斷續(xù)工作要求。相比傳統(tǒng)方式，本發(fā)明在開(kāi)發(fā)周期和成本相較之前有了很大的優(yōu)勢(shì)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種現(xiàn)場(chǎng)總線型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于該裝置包括 CANopen通信接ロ單元硬件結(jié)構(gòu)包括雙向連接的自帶CAN控制器的微處理器和CAN收發(fā)器；該接ロ単元用干與CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，微處理器完成對(duì)內(nèi)部CAN控制器初始化工作，并利用微處理器內(nèi)嵌的CANopen協(xié)議棧代碼，完成與CANopen總線的數(shù)據(jù)通信； 輸入信號(hào)接ロ單元主要由輸入光耦隔離電路構(gòu)成，并與CANopen通信接ロ單元中的微處理器連接；輸入信號(hào)通過(guò)輸入光耦電路完成對(duì)輸入信號(hào)的處理，并將輸入狀態(tài)信息傳送給微處理器進(jìn)行接收； 三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接ロ單元包括與CANopen通信接ロ單元中的微處理器連接的功率驅(qū)動(dòng)電路，以及同時(shí)與功率驅(qū)動(dòng)電路連接的三相輸出光I禹隔尚電路，三相輸出光I禹隔尚電路分別經(jīng)雙向可控硅連接三相交流電機(jī)的三個(gè)電極；該接ロ單元接收CANopen通信接ロ單元中的微處理器的輸出信號(hào)后，經(jīng)過(guò)光耦隔離電路完成對(duì)雙向可控硅進(jìn)行交流電的通斷操作來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這樣可直接驅(qū)動(dòng)一臺(tái)三相交流電機(jī)。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述CANopen通信接ロ単元中的微處理器為AT90CAN128, AT90CAN128是自帶CAN控制器的AVR微處理器，一片AVR芯片上集成了微處理器和CAN控制器的功能；它通過(guò)內(nèi)部的Mob設(shè)置CAN幀格式和存放數(shù)據(jù)，與CAN總線收發(fā)器完成CAN的收發(fā)，運(yùn)行整個(gè)軟件協(xié)議棧代碼進(jìn)行與CANopen總線的數(shù)據(jù)通信； 所述CANopen通信接ロ單元中的CAN收發(fā)器為CTM1050，它是具有隔離功能的高速CAN總線收發(fā)器，主要完成將微處理器AVR芯片AT90CAN128內(nèi)部CAN控制器發(fā)出的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，具有隔離功能和ESD保護(hù)作用。
全文摘要
一種具備現(xiàn)場(chǎng)總線通信與交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一體化功能的CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包括CANopen通信接口單元，其硬件結(jié)構(gòu)為微處理器(自帶CAN控制器)和CAN收發(fā)器，利用微處理器內(nèi)嵌的CANopen協(xié)議棧代碼，完成與CANopen總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；輸入信號(hào)接口單元，輸入信號(hào)通過(guò)輸入光耦電路將輸入狀態(tài)傳送給微處理器接收；三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口單元，接收微處理器的信號(hào)后，通過(guò)三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口單元可直接驅(qū)動(dòng)一臺(tái)三相交流電機(jī)。
文檔編號(hào)H02P23/00GK102710211SQ20121016104
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者倪建云, 劉學(xué)偉, 賈超, 陳在平 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)