基于CAN總線的開關(guān)磁阻電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究

0 引 言
    由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜，地域的廣闊等不利工作條件，給開關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速控制與相關(guān)參數(shù)監(jiān)控帶來了很多影響。因此，設(shè)計研制一種基于開關(guān)磁阻電機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(SRD)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
    Controller Area Network(簡稱CAN)，與一般的總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。本文主要探討基于RS-485與CAN總線的開關(guān)磁阻電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成。SRD調(diào)速系統(tǒng)通常采用傳統(tǒng)PID控制策略，系統(tǒng)很難保守良好性能。目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制技術(shù)應(yīng)用于SRD取得了一定的成績。
    卡爾曼濾算法是一種遞推算法，對于系統(tǒng)存在過程及測量噪聲，狀態(tài)變量受到污染，可以利用卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行處理。本文將卡爾曼濾波器與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，使SRD控制效果得到明顯改善。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
    基于CAN總線的開關(guān)磁阻電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括PC(上位機(jī))、RS-485與CAN結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)、CAN智能節(jié)點(diǎn)與開關(guān)組電機(jī)四大部分。串行接口標(biāo)準(zhǔn)的選擇上位機(jī)與CAN智能節(jié)點(diǎn)間的距離通常較遠(yuǎn)，上位機(jī)的Rs-232C接口的最大傳輸距離為15m，不能滿足要求。而RS-485串行數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)可傳送1200m以上，因此宜選用后者。上位機(jī)本身具有RS-232C接口，可配備一塊RS232-RS485轉(zhuǎn)換板STD5630，實(shí)現(xiàn)RS-232電平到RS-485電平的轉(zhuǎn)換。

    在該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，采用RS-485與CAN結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了CAN適配卡與專門的驅(qū)動程序，因此可靠性與性價比得到了較大的提高。
    CAN總線智能節(jié)點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。它位于執(zhí)行機(jī)構(gòu)所在的現(xiàn)場，一方面和上位機(jī)進(jìn)行通信，以完成數(shù)據(jù)交換；另一方面又可根據(jù)系統(tǒng)的需要對現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。典型的CAN總線控制節(jié)點(diǎn)是由微處理器、CAN控制器、CAN接口構(gòu)成，如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計

2．1 RS-485接口電路設(shè)計
    RS-485接口電路見圖3所示。該電路主要由光耦和RS-485芯片組成，光耦能排除由于共地而可能串入的干擾。RS-485芯片采用MAX 491，其作用是實(shí)現(xiàn)RS-485串口傳輸?shù)碾姎鈽?biāo)準(zhǔn)。圖中MAX491的2個有效電平相反的引腳——接收、驅(qū)動器允許腳接在了一起，即使得RS-485工作在半雙工方式。

2．2 CAN節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計
    系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)采用89C51單片機(jī)作為微處理器，選用SJA1000作為CAN控制器，并使用CAN控制器接口芯片82C250。為進(jìn)一步提高抗干擾能力，在兩個CAN器件之間使用了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的隔離電路。CAN器件與微處理器的硬件連接圖如圖4所示。硬件電路中使用82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬時抗干擾能力，保護(hù)總線。

3 CAN總線通信軟件設(shè)計
    遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括初始化程序與通信主程序設(shè)計。CAN初始化只能在復(fù)位模式下進(jìn)行，初始化主要包括工作方式的設(shè)置，波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器IER的設(shè)置。作為軟件設(shè)計核心部分的是RS-485CAN接口通信編程，其程序流程圖如圖5所示。

4 基于卡爾曼濾波器的SRD控制器設(shè)計
    在SRD控制策略上，主要以線性模型為基礎(chǔ)，結(jié)合傳統(tǒng)PI或PID控制器。但是普通PID控制器的參數(shù)難以自動調(diào)整，由此構(gòu)建的SRD系統(tǒng)難以獲得理想的輸出特性。對于SRD系統(tǒng)中存在過程及測量噪聲，狀態(tài)變量受到污染，可以利用卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行濾波，將卡爾曼濾波器與傳統(tǒng)的PID相結(jié)合，可以使SRD系統(tǒng)控制效果得到明顯改善。
4．1 卡爾曼濾波器原理
    卡爾曼濾波是以最小均方差為準(zhǔn)則的最佳線性估計，它根據(jù)前一個估計值xk-1和最近一個觀測數(shù)據(jù)yk來估計信號的當(dāng)前值，利用狀態(tài)方程和遞推方法進(jìn)行估計。設(shè)向量非平穩(wěn)狀態(tài)序列xk和yk用下面的動態(tài)方程描述：

   
    式中：ωk為過程噪聲信號，vk為測量噪聲信號卡爾曼濾波的遞推算法為：
   
4．2 基于卡爾曼濾波器的PID控制結(jié)構(gòu)與仿真
    基于卡爾曼濾波器的PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

    仿真的被控對象傳遞函數(shù)為
   

    采用常規(guī)PID控制+卡爾曼濾波器控制，令過程噪聲ωk、νk協(xié)方差為1，幅度為0．02，輸入信號為階躍信號。在MATLAB中用隨機(jī)函數(shù)rand()來模擬白噪聲。沒有加卡爾曼濾波器的常規(guī)PID控制仿真結(jié)果如圖7所示，加入濾波器后PID控制階躍響應(yīng)如圖8所示。

5 結(jié)束語
    本文在開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中引入了CAN智能從站技術(shù)，并且將RS-485和CAN總線相結(jié)合，使開關(guān)磁阻電機(jī)擺脫舊的控制模式，為電機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化控制提供一種新的思路。在開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，將常規(guī)PID控制與卡爾曼濾波器相結(jié)合，仿真結(jié)果表明，基于卡爾曼濾波器的PID控制方法超調(diào)量小、控制效果好。