基于CANopen的变桨系统的通信研究

论文摘要

如今,随着工业化的飞速发展以及生产装置规模的不断扩大,生产过程也越来越复杂,企业对生产过程的自动化程度和生产信息集成度的要求也越来越高。在工业化大发展的背景下,分布式控制系统以其在高可靠性方面的优势,受到了工业用户的推崇与青睐,因而总线控制在工业控制领域中迅速发展起来了。CAN (Controller Area Network)总线正是当前一种较为先进的、性能可靠的现场总线技术。CAN总线为变桨系统的控制器之间以及与上位机监控软件之间提供数据交换平台,使得变桨系统控制网络更加灵活,而且维护起来成本也低。通信网络作为变桨系统的重要组成部分,对大型风力发电机组的变桨系统的通讯网络研究具有非常重要的意义。本文以国产兆瓦级风力发电机组的变桨系统为背景,对变桨系统的通信网络进行了深入研究,提出了基于CAN总线和CANopen协议的变桨系统的通信网络的整体设计方案,进行了系统的各节点的硬件和相应通信软件的设计开发,实现了变桨系统的控制网络的通信。首先,从CAN总线原理入手,深入研究CAN总线的通讯原理,在此基础上对基于CAN的高层协议CANopen协议的结构进行了分析,然后详细的研究了DS301协议和部分DS402协议,其中DS301协议是CANopen协议的基础协议,规定了通讯规范；DS402协议是实时伺服驱动和运动控制子协议。在分析了CAN总线和CANopen协议之后,对CANopen协议的从节点的硬件做了设计,主要对CAN接口的电路进行了设计,为协议软件的实现提供硬件平台。其次,针对变桨系统完成了CANopen协议的设计与实现。根据实际的应用需求提出了CANopen协议从站的设计方案；接着根据eCAN模块的通讯原理,实现了eCAN模块的报文的发送和接受；并且通过对CANopen通讯初始化、建立并访问从站的对象字典、设计从站的PDO报文的接受与发送完成了通讯程序的设计。然后,根据变桨系统控制的实际需求,编写了上位机监控软件,并且进行了单机调试和多机调试测试,测试的结果达到了通讯的基本要求。最后,对变桨系统的CANopen网络进行了分析,使用RM调度算法对网络进行分析,建立了CANopen的模型,对报文进行可调度分析,结果验证了网络的实时性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的选题背景和研究意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 CANopen协议在变桨系统中的国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 1.4 小结
• 2 CAN总线及CANopen应用协议分析
• 2.1 CAN总线介绍
• 2.2 CANopen协议概述
• 2.3 DS301通讯协议
• 2.3.1 对象字典的架构
• 2.3.2 对象字典的索引与子索引
• 2.3.3 对象字典的数据类型
• 2.3.4 CANopen通讯对象
• 2.4 DS402通讯协议
• 2.4.1 预定义对象
• 2.4.2 PDO映射
• 2.5 小结
• 3 CANopen协议在变桨系统中的实现
• 3.1 从站的硬件与软件设计方案
• 3.1.1 从站硬件设计方案
• 3.1.2 从站软件设计方案
• 3.2 DSP系统介绍
• 3.2.1 DSP简介
• 3.2.2 TMS320F2812芯片结构与特点
• 3.2.3 DSP系统外围电路简介
• 3.3 CAN接口电路设计
• 3.3.1 TMS320F2812eCAN控制器模块
• 3.3.2 eCAN总线模块特点
• 3.3.3 CAN总线收发芯片PCA82C250
• 3.3.4 CAN总线电气隔离电路设计
• 3.4 eCAN模块程序设计
• 3.4.1 eCAN初始化
• 3.4.2 CAN报文发送
• 3.4.3 CAN报文接收
• 3.5 CANopen协议栈的实现
• 3.5.1 CANopen通讯初始化
• 3.5.2 从站对象字典的建立与访问
• 3.5.3 从站PDO的接收与发送
• 3.6 小结
• 4 上位机监控软件设计与系统调试
• 4.1 上位机监控软件设计方案
• 4.2 上位机监控软件设计
• 4.2.1 监控软件功能及通信协议
• 4.2.2 监控软件界面设计和程序编写
• 4.3 监控软件联机调试
• 4.3.1 调试的目的及内容
• 4.3.2 调试的方案
• 4.3.3 调试的结果
• 4.4 小结
• 5 CANopen在变桨系统控制网络中的实时性分析
• 5.1 变桨系统网络的CANopen报文分析
• 5.2 控制网络系统的时延性分析
• 5.2.1 CANopen总线的报文延时
• 5.2.2 RM（Rate Monotonic）速率单调调度算法
• 5.2.3 控制网络CANopen报文的可调度性分析
• 5.3 控制网络的总线负载率分析
• 5.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果