CAN总线技术在电力电子方面的应用
摘要：CAN即控制器局域网，是国际上应用最广泛的总线技术之一。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性等优点。由于其良好的性能，其应用范围极其广泛。本文重点讨论CAN总线技术在诸如电机控制、电力谐波监控等电力电子领域中的应用。
关键词：CAN总线 电力电子 应用 一．CAN总线技术在电机控制环节中的应用 电机控制系统研发过程中的一个重要环节便是控制率的设计，调试过程需要借助信号发生器、示波器和仿真器等设备来产生激励信号或者反馈控制结果，因而操作比较繁琐而且不够直观。而虚拟仪器的发展则大大简化了这一过程。在电机控制领域，有很多方法实现虚拟系统时，都采用D/A输出指令，然后A/D接受反馈的方式，但这种方式需要的硬件电路太多，而且繁杂，扩展起来颇为不易。而基于CAN总线的虚拟仪器系统的设计方案，就很好地解决了这一问题。 基于CAN总线的虚拟仪器系统设计方案将虚拟仪器的概念和现场总线技术很好地结合起来，是一种方便智能、结构简单、实时性高、扩展性强的电机调试系统，在多电机控制系统中实现了电机控制算法的实时调节、控制效果的数字化和图形化评估、CAN总线和FPGA程序的在系统升级以及各种测试环境的模拟，降低了产品的研发周期，提高了产品研发的自动化程度.基于该虚拟仪器系统的的测控对象是一种采用主从式分布结构的多电机控制系统，电机管理中心通过CAN 总线与各个控制节点相连， 其中
每个节点都采用DSP+FPGA 的体系结构。具
体结构如下图1所示。
图1 电机控制系统结构图 每个节点都是一个位置伺服系统，需要控制多个直流电机按照期望的轨迹运行. 系统
工作时，DSP 根据各个电机上编码器反馈来
的位置信息，执行比例、积分、微分算法产生PWM 波，再经过FPGA处理和功率桥，驱动电机运转。 另外，DSP通过采样电路实时的检测电机电流来实施保护。虚拟仪器的实质是利用最新计算机技术（包括软件和硬件技术），对传统仪器的功能实现扩展。虚拟仪器系统一般由以下三大要素构成：计算机、应用软件和仪器硬件。通过计算机与应用软件来实现扩展传统仪器的功能。 本系统采用CAN 总线开发的虚拟仪器系统，实时性好、抗干扰性和可靠性高、机
制灵活并且易于扩充，在产品研发过程中，取代了电机管理中心，成为CAN 总线系统的主节点，完成了对各个电机控制单元的调试和测量。具体结构见图2.. 图2 虚拟仪器系统结构 对各电机控制单元而言，控制率的调节
主要是PID 参数的校正。 当PC通过CAN 总线设定目标位置并且初始化PID参数以后，DSP 在执行控制算法的同时，利用频率1kHz 的定时器中断，在SRAM分别记录下从电机开始运动起的1500个点的期望位置信息、编码器指示的实际位置信息以及电流采样值，并通过CAN总线传送给PC。然后PC按照这些
反馈数据计算出超调量、稳态精度、调节时
间、速度等参数，绘制出运行轨迹曲线，并
将这些信息存入数据库作为调试依据，上述
整个过程只需要10s。 根据上述所测得的参数和运动曲线，可以有针对性的修改PID 参数，以方便快捷的达到所期望的控制效果。 二．CAN总线技术在电力谐波监控方面的应用
随着国内外电力电子技术的发展，由电力电子开关构成的、具有非线性特性的大量用电设备被广泛应用于各种工业过程，因而电网中的谐波污染就变得日益严重。比如钢铁工业等。现以钢铁工业为例说明。我们知道，钢铁工业是工业化国家的最基础的工业之一，其中广泛应用的一种设备就是电弧炉。电弧炉炼钢无论是在技术上还是经济上都有着巨大的优势，因而在炼钢产业中得到大量的应用。但这也使得电网中的谐波污染大大增加，因为交流电弧炉可以看做是不平衡的谐波电流源，它工作的时候，会导致旋转电机和变压器过热、振动，使得变压器的额定容量降低，使电机的寿命也缩短。还有个不可忽略的结果就是，可能使得电力电容器不能正常工作，严重时，会使其发生谐振，进而导致热击穿损坏。因此，对谐波的监测管理及抑制是极具研究意义的课题。
钢铁工业中的电力谐波监控系统的主要任务是构建完善的数据采集网络，获取生产过程中所产生谐波的准确、详细数据，经处理、分析并结合生产工艺过程评估，提供实时在线谐波检测信息和调整决策方案，进而保证生产及动力工艺系统的稳定性和经济性。由此可见，整个谐波监控系统的重要环节就是电网谐波监测和数据采集网络的设计。
电力谐波监控系统可以分为三层：现场层、网络通信层和管理层。每一层都有其特定的任务，而且必须根据上层的要求，对其提供实时的相应服务。电力谐波监控系统的结构图如图3所示。
图3 电力谐波监控系统结构图
现场层一般由数据采集器、ST－SPQM-5型智能电能质量分析仪和电容器、电抗器组成的谐波检测治理单元构成。它首先通过智能电能质量分析仪检测电网中的谐波情况，然后由采集器负责采集各电气室的电能质量分析仪数据，再通过数据集中器收集所有采集器中的数据，并上传到谐波监控中心。因此在系统构建安装时，将以电气室为单元，根据电气室需要安装的智能电能质量分析仪的数量来决定采集器的数量。由于钢铁工业对系统的稳定性、实时性以及可靠性的要求很高，因而选用CAN总线作为系统的通信载体。
电力谐波监控系统的通信网络层的主体是集中器。在这个环节中要求集中器通信可靠、准确、及时、快速地汇集各个电气室的采集器数据。现地端和远程端通讯方式有有线和无线通信技术，选择较多。考虑到钢铁工业现场复杂及恶劣的环境，尤其是钢厂有些生产车间的设备工作中会产生强烈的电磁干扰，严重干扰无线通信的数据传输，因此为了保证传输数据的可靠性，本系统选择抗干扰性极强的CAN总线来构成整个系统的通信网络。
管理层主要通过谐波监控系统软件与集中器通信，完成对电网中谐波数据采集、海量谐波数据存储、联网、查询，并通过统计分析谐波数据，自动完成电容器和电抗器组的投切，并将控制状态以及谐波参数分布以图表的形式显示出来。
电网电压、功率因数和谐波含量是衡量电网电能质量的主要因素。因此要想确保电网电能质量以及能够经济运行，就必须有一个完善、可靠、高效的电能质量实时检测系统。以CAN总线网络为基础的电力谐波监控系统由于其可靠性高、稳定性强、传输速率大等优点，能够极好的完成这一任务，使得对电网电能谐波量的控制较易实现。 三．总结
CAN总线在电力电子技术方面的应用实例很多，比如还可应用在嵌入式汽车电子测试系统、移动智能机器人等领域。这里就不做详细介绍。目前CAN总线的应用研究还
在不断地深入，相信它的应用范围会越来越广，作用会越来越重要。 参考文献
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