張澤宇，劉洋，陳卓，蔣煒

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

基于Canopen協(xié)議的VACON變頻器的應(yīng)用

張澤宇，劉洋，陳卓，蔣煒

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

本文介紹了基于CANOPEN協(xié)議的VACON變頻器的應(yīng)用。采用在船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)CAN協(xié)議，應(yīng)用層采用CANOPEN協(xié)議對(duì)VACON變頻器進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中具有成本低廉、開(kāi)發(fā)方便及實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

CANOPENVACON電力推進(jìn)

0　引言

隨著船舶電力推進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAN總線(xiàn)作為一種高性能、高可靠性、價(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)方便的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。本文應(yīng)用CANOpen協(xié)議對(duì)VACON變頻器進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與控制，可靠性高、成本低廉、開(kāi)發(fā)自主化程度高，具有很好的實(shí)用性。

圖1所示為CANOpen設(shè)備結(jié)構(gòu)，不同設(shè)備通過(guò)CANBUS總線(xiàn)組成總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，完成通信數(shù)據(jù)的交換，通訊數(shù)據(jù)的交換也可看為通信對(duì)象的交換。對(duì)象字典取代了常規(guī)的通信數(shù)據(jù)包概念，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)的對(duì)象組，包含了數(shù)據(jù)類(lèi)型、通信對(duì)象、應(yīng)用對(duì)象等內(nèi)容。任何設(shè)備均有其唯一的對(duì)象字典，設(shè)備內(nèi)定義內(nèi)容不同則對(duì)象字典的具體內(nèi)容不同。

1　CANOpen協(xié)議介紹

CANOpen協(xié)議作為CAN總線(xiàn)應(yīng)用層中通訊協(xié)議的一種，最先在歐洲得到了推廣及應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，CANOpen協(xié)議廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車(chē)工業(yè)、船舶海運(yùn)等工業(yè)領(lǐng)域。

1.1CANOPEN主要協(xié)議

隨著CANOpen協(xié)議的發(fā)展，CANOpen協(xié)議發(fā)展出一系列對(duì)對(duì)象字典及各種設(shè)備細(xì)化的子協(xié)議。子協(xié)議針對(duì)對(duì)象字典中的功能、索引、子索引、數(shù)據(jù)類(lèi)型等內(nèi)容進(jìn)行了細(xì)化定義，保證了不同廠(chǎng)商的設(shè)備的統(tǒng)一性及兼容性。

1.2CANOPEN通訊

在CANopen協(xié)議中主要定義了管理報(bào)文對(duì)象NMT（Network Management）、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO(Service Data Object)、過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO(Process Data Object)等四種對(duì)象。

圖1　CANOpen設(shè)備結(jié)構(gòu)

1）管理報(bào)文NMT

管理報(bào)文NMT負(fù)責(zé)對(duì)CANOpen網(wǎng)絡(luò)中斷設(shè)備的對(duì)象字典進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理及配置。在一個(gè)CANOpen網(wǎng)絡(luò)中只允許存在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)。

2）服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO

一般CANOpen網(wǎng)絡(luò)上都是一主多從的模式，主節(jié)點(diǎn)可通過(guò)SDO數(shù)據(jù)包對(duì)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置。此時(shí)CANOpen主節(jié)點(diǎn)作為SDO客戶(hù)端而從節(jié)點(diǎn)作為SDO服務(wù)器。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)SDO數(shù)據(jù)包可以訪(fǎng)問(wèn)從節(jié)點(diǎn)上的對(duì)象字典。

3）過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO

PDO的作用是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，傳輸模型如圖2所示。每個(gè)PDO數(shù)據(jù)包最多可傳輸8字節(jié)的數(shù)據(jù)。PDO通信對(duì)象具有如下的特點(diǎn)：

（1）PDO數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容即CAN-ID（同時(shí)也稱(chēng)為COB-ID）內(nèi)容。

（2）每個(gè)PDO數(shù)據(jù)包在對(duì)象字典中包含2個(gè)對(duì)象的描述。一個(gè)為PDO通訊參數(shù)，其針對(duì)設(shè)備的COB-ID、傳輸類(lèi)型和定時(shí)周期作了具體的描述；另一個(gè)是PDO映射參數(shù)，映射參數(shù)針對(duì)對(duì)象字典中的對(duì)象列表進(jìn)行了定義，用戶(hù)可通過(guò)對(duì)象列表查找到所需的PDO數(shù)據(jù)包內(nèi)容。

（3）PDO具有多種傳輸方式：

2　VACON變頻器中CANOPEN對(duì)象字典介紹

VACON變頻器在采用CAN通訊方式的時(shí)候，需要選配OPTC-6選配卡，可以通過(guò)CAN總線(xiàn)對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

表1　VACON變頻器CANOPEN參數(shù)

在VACON變頻器中可以通過(guò)串口線(xiàn)或設(shè)定屏來(lái)對(duì)CANOPEN網(wǎng)絡(luò)中的物理層進(jìn)行設(shè)定，包括VACON變頻器的節(jié)點(diǎn)號(hào)、通訊的波特率和操作模式，見(jiàn)表1。

2.1Driver模式

Driver模式的通訊參數(shù)表見(jiàn)表2，在該模式中，可通過(guò)NMT、PDO信息的來(lái)對(duì)本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。

表2　Driver模式參數(shù)

表3　PDO參數(shù)

其中狀態(tài)字和控制字的定義如表4所示。

表4　Driver模式控制字和狀態(tài)字定義

在上電之后，需要通過(guò)狀態(tài)字來(lái)對(duì)變頻器的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，其中包含變頻器狀態(tài)機(jī)的變化?？砂凑找韵翽DO參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)機(jī)切換。

表5　Driver模式變頻器控制流程

在速度給定階段，本范例中給定的為0x0078=120rpm，當(dāng)需要電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，僅需給定轉(zhuǎn)速為負(fù)值即可，如給定0xFF38=-200rpm。

2.2Bypass模式

Bypass模式的通訊參數(shù)表見(jiàn)表6，在該模式中，可通過(guò)NMT、PDO信息的來(lái)對(duì)本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。

表6　Bypass模式參數(shù)

表7　PDO參數(shù)

可以看出，Bypass模式的自主化應(yīng)用程度更高，在該模式下，可以通過(guò)更改設(shè)定狀態(tài)1-6的定義來(lái)對(duì)PID參數(shù)、轉(zhuǎn)速變化斜率等進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)可以通過(guò)更改設(shè)定狀態(tài)1-6的定義來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)諸如變頻器輸出頻率、電機(jī)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等狀態(tài)量，具有很好的擴(kuò)展性和自主性。

且該模式下并未采用狀態(tài)機(jī)的方法來(lái)對(duì)變頻器狀態(tài)進(jìn)行控制，因此控制更為方便簡(jiǎn)單，具有很好的實(shí)用性，因此在實(shí)際應(yīng)用中，我們一般采用這種控制方式。

在該模式下的狀態(tài)字和控制字的定義如表8和表9所示。

表8　Bypass模式控制字定義

0停止運(yùn)行1正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)2故障復(fù)位（上升沿）3…15未使用

表9　Bypass模式狀態(tài)字定義

在上電之后，可以通過(guò)以下PDO參數(shù)來(lái)對(duì)變頻器狀態(tài)進(jìn)行控制。

在速度給定階段，由于本模式下速度給定值為相對(duì)于頻率的最高值，因此實(shí)際轉(zhuǎn)速rpm=給定值/10000*65，當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為0x0535時(shí)，此時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速為200 rpm。同時(shí)當(dāng)給定轉(zhuǎn)速時(shí)，本模式不接受負(fù)轉(zhuǎn)速的給定，在控制字中存在一位對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行控制，見(jiàn)表10。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)調(diào)整轉(zhuǎn)速，相對(duì)于通過(guò)模擬量調(diào)整轉(zhuǎn)速信號(hào)更為準(zhǔn)確和穩(wěn)定，具有可靠性高、給定穩(wěn)定、調(diào)速方便等優(yōu)點(diǎn)。

表10　Bypass模式變頻器控制流程

3　CANOPEN控制VACON變頻器試驗(yàn)

在試驗(yàn)中，采用Bypass的模式對(duì)VACON變頻器進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè)。本試驗(yàn)中設(shè)定VACON變頻器的節(jié)點(diǎn)號(hào)為01，通訊速率為125 kps。當(dāng)發(fā)送正轉(zhuǎn)指令，設(shè)定轉(zhuǎn)速為200 rpm后，變頻器監(jiān)測(cè)信息變?yōu)閳D3所示?？梢钥闯?，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速指令后，轉(zhuǎn)速變?yōu)?99 rpm，并在199 rpm和200 rpm之間跳動(dòng)，與設(shè)定的200 rpm基本一致。

當(dāng)發(fā)送反轉(zhuǎn)指令，設(shè)定轉(zhuǎn)速為200 rpm后，變頻器監(jiān)測(cè)信息變?yōu)閳D4所示。

圖3　變頻器監(jiān)測(cè)信息（正轉(zhuǎn)）

圖4　變頻器監(jiān)測(cè)信息（反轉(zhuǎn)）

4　小結(jié)

本文針對(duì)采用應(yīng)用范圍極廣的CANOpen協(xié)議進(jìn)行了介紹，然后應(yīng)用CANOpen協(xié)議中的相關(guān)內(nèi)容對(duì)船舶行業(yè)應(yīng)用十分廣泛的VACON變頻器的監(jiān)控方式進(jìn)行了介紹，詳細(xì)介紹了Driver模式和Bypass模式，并實(shí)際采用Bypass模式進(jìn)行了變頻器監(jiān)控試驗(yàn)，具有可靠性高、成本低廉、開(kāi)發(fā)自主化程度高的優(yōu)點(diǎn)。

[1]Holger Zeltwanger,周立功,黃曉清譯.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)CANOpen設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2011.7.

[2]VACON Inc,vacon nx optc6 canopen option board user manual,2012.

[3]趙斌.基于CANopen的模擬量測(cè)量模塊:[碩士學(xué)位論文].天津:天津大學(xué),2007.

[4]武曉云,曹忠身.船舶機(jī)艙自動(dòng)化CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及功能描述.中國(guó)造船,2001,(1): 69-74.

[5]馬文敏,王志剛,王新磊,孟馨.基于CANopen的自動(dòng)化船舶監(jiān)控系統(tǒng).電子科技,2009,22(7):77-81.

Application ofVACON’s Frequency Converter Based on Canopen Protocol

Zhang Zeyu,Liu Yang,Chen Zhuo,Jiang Wei
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China)

This article describes the application of theVACON’s frequency converter based on CANOPEN protocol.It uses the CAN fieldbus protocol which is widely used in the field of marine electric propulsion.CANOPEN protocol is used in application layer to monitor and control theVACON’s frequency converter,which has merits of low cost,convenience and practicality inship’s electric propulsionsystem.

CANOPEN;VACON;electric propulsion

TP274

A文獻(xiàn)分類(lèi)號(hào)：1003-4862（2015）10-0022-04

2015-03-14

張澤宇（1989-），男，工程師。研究方向：船舶監(jiān)控系統(tǒng)。