专利名称：一种现场总线型交流电机驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及总线网络通信技术领域，尤其是涉及一种具备现场总线通信与交流电机驱动一体化功能的CANopen电机驱动装置。
背景技术：
作为一种新兴的工业现场总线协议，CANopen正在得到更多更广泛的应用，但是它还有很多方面还处于待开发或正在开发阶段，尤其是关于驱动装置的开发。目前，国内外对于CANopen有了相对成熟的开发方案,但是涉及到具体的驱动装置,很少有企业或机构在从站的基础上特别的设计负载驱动单元。有关CANopen驱动装置的设计，目前大多数企业都是直接把驱动装置与可编程序控制器相连或采用“CANopen+固态继电器”的方法，这样带 负载的方式在小规模的应用上可以达到要求，在大规模集成化的应用上，这两种方式不仅用线较多、繁杂，而且整体驱动装置成本很高，没有达到大多数人的认可。
发明内容
本发明的目的是解决工业系统中CANopen驱动装置设计问题，提供一种现场总线型交流电机驱动装置。该装置同时具有CANopen现场总线通信功能和三相交流电机的驱动功能，通信符合CiA定义的CANpen协议标准以及DS301规定，电机驱动装置可直接驱动一台三相交流电机，并且可以通过无触点固态接触器开关方式，实现三相交流电机直接驱动，能满足连续或频繁断续工作要求。本发明提供的现场总线型交流电机驱动装置包括CANopen通信接口单元硬件结构包括双向连接的微处理器(自带CAN控制器)和CAN收发器；该接口单元用于与CANopen现场总线之间进行数据交换，微处理器主要完成对处理器内部CAN控制器初始化等工作，并利用微处理器内嵌的CANopen协议栈代码，完成与CANopen总线的数据通信；输入信号接口单元主要由输入光耦隔离电路构成，并与CANopen通信接口单元中的微处理器连接；外部24V输入信号通过输入光稱电路,完成对输入信号的处理,并将输入状态信息传送给微处理器进行接收；三相交流电机驱动接口单元包括与CANopen通信接口单元中的微处理器连接的功率驱动电路，以及同时与功率驱动电路连接的三相输出光耦隔离电路，三相输出光耦隔离电路分别经双向可控娃连接三相交流电机的三个电极；该接口单元接收CANopen通信接口单元中的微处理器的输出信号后，经过光耦隔离电路完成对双向可控硅进行交流电的通断操作来驱动负载，这样可直接驱动一台三相交流电机。所述的CANopen通信接口单元中的微处理器为AT90CAN128，AT90CAN128是具有CAN控制器的AVR微处理器，一片AVR芯片上集成了微处理器和CAN控制器的功能。它通过内部的Mob设置CAN帧格式和存放数据，与CAN收发器完成CAN的收发，运行整个软件协议栈代码进行与CANopen总线的数据通信；
所述CANopen通信接口单元中的CAN收发器为CTM1050，是具有隔离功能的高速CAN收发器，主要完成将微处理器AVR内CAN控制器发出的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，具有隔离功能和ESD保护作用。所述三相交流电机驱动接口单元中的光耦隔离电路输入侧接收微处理器I/O 口传输的开关电信号，并对信号进行信号的隔离和转换，输出驱动侧连接双向可控硅的使能驱动G端，这样光耦完成了开关信号与双向可控硅驱动芯片的信号隔离和开关作用。双向可控硅三路双向可控硅触发G端接收光耦电路发出的触发信号，三路输入端接入380V三相交流电，三路输出端接三相交流电机。这样，通过光耦电路的触发信号就可以对三相交流电机的启停进行控制。在双向可控硅的选择上，可根据负载的要求选择合适功率的双向硅芯片。由于微处理器I/O 口信号要驱动三路光耦输入侧，一般的，要在微处理器和光耦驱动电路之间增加驱动电路。这样微处理器将信号按照其光耦输入侧毫安电路级别的要 求，转换为三路灌电流信号使能光耦隔离电路。此外，装置在双向硅的输入和输出测设计了并联的阻容吸收电路和压敏电阻，他们能够有效吸收和消耗电路断开时感性负载产生的自感电动势，可防止过电压造成的负载绝缘击穿可有效抑制操作过电压的瞬间振荡和高频电流，使过电压的波形变缓，陡度和幅值降低，再加上电阻的阻尼作用，使高频振荡迅速衰减。本发明的优点和有益效果本发明结合CANopen从节点的开发，设计了具有现场总线通信与交流电机驱动一体化功能的CANopen电机驱动装置。该发明具有CANopen现场总线通信功能,通信符合CiA定义的CANpen协议标准以及DS301规定并可直接驱动一台三相交流电机。驱动装置采用无触点固态接触器开关方式，实现三相交流电机直接驱动，能满足连续或频繁断续工作要求。该装置可实现主干网线最大200米的实时通信，以及100个节点的网络规模要求。有了该驱动装置对现场总线通信和三相交流电机控制的支持，相较于国内流行的直接把驱动装置与可编程序控制器相连或采用“CANopen+固态继电器”的方法更加高效和节约成本，具有重大的实际意义。
图I为系统的总体框图；图2为输入信号接口单元电路原理图；图3为CANopen通信接口单元电路原理图；图4为三相交流电机接口单元电路中，微处理器输出驱动的电路原理图；图5为三相交流电机接口单元电路中，光耦和双向可控硅的连接原理图。
具体实施例方式图I为系统的总体框图。其中，单元I为CANopen通信接口单元，单元2为输入信号接口单元，单元3为三相交流电机驱动接口单元。在各个部分的电源端口，接短路保护电路。虚框内的范围为设计的电机驱动装置，它可以接入CANopen现场总线系统并驱动三相交流电机。
本系统CANopen通信接口单元以采用自带CAN控制器的AVR微处理器AT90CAN128为核心，在它的基础上与其他两个接口单元进行连接，用以实现各部分的功能等。从上述框图中可以看出，系统的设计可分为三部分第一部分为输入信号接口单元电路，由光耦隔离电路构成，这部分主要是将外部无触点开关信号到微处理器的接收部分；第二部分为CANopen (现场总线)通信接口单元，包括双向连接的微处理器和CAN收发器；主要完成CANopen的初始化、组态和配置等部分，实现与CANopen现场总线系统的通信；第三部分是(输出)三相交流电机驱动接口单元部分，包括与CANopen通信接口单元中的微处理器连接的功率驱动电路，以及同时与功率驱动电路连接的三相光耦隔离电路，三相光耦隔离电路分别经双向可控硅连接三相交流电机的三相交流；这部分主要处理微处理器的输出信号，实现三相交流电机的启停控制。各部分的具体连接电路详述如下图2为输入信号接口单元电路(第一部分)，它是图I中的单元2。其中sigl为信号输入线，它连接24V输入电信号，输入信号经过光稱芯片PC817的光电隔离。由于米用了灌电流的方式进行输入信号的输入，考虑微处理器AT90CAN128的扇入扇出系数，使用74LS245，再由74LS245的输出传递给微处理器的I/O 口以便接收。由于采用了灌电流的方式进行输入信号的输入，考虑微处理器AT90CAN128的扇入扇出系数，使用74LS245可以有效的保护微处理器的I/O 口。图3为CANopen通信接口单元电路(第二部分)，它是图I中的单元I。相比于其他微处理器，本发明采用的微处理器AT90CAN128内部集成了 CAN控制器，这样的处理器省去了使用地址/数据总线要通过微处理器给CAN控制器传输数据的相对不稳定性。在总线驱动单元CAN收发器的设计上，选择了独立CAN收发器CTM1050，它集成了以往CAN收发单元的光电隔离和CAN收发芯片的所有功能，高速的实现CAN的收发。硬件连接上，把AT90CAN128 的 RXD、TXD (PD5、PD6)连接到 CTM1050 的 RXD、TXD 上。嵌入 CANopen 协议栈软件的微处理器与CAN收发器，便可组成一个独立的CANopen最小系统，接入现场总线，实现数据的实时通信。图4为(微处理器输出)三相交流电机驱动接口单元电路(第三部分)，即是图I中单元3的微处理器输出驱动电路。驱动电路是微处理器I/O 口和输出光耦的输入侧之间的驱动控制电路，微处理器的I/O输出端要驱动三路光耦隔离电路，它将传来的信号按照其光耦输入侧毫安电路级别的要求，转换为三路灌电流信号使能输出光耦隔离电路。电路连接上，把微处理器AT90CAN128的I/O 口 PA4、PA5接到驱动芯片74LS06输出端。图5为光耦和双向硅的连接电路图，即是图I中单元3中的输出光耦和双向硅以及它们的连接电路。输出光耦电路的输入侧接收从驱动芯片传输的开关电信号，并对信号进行信号的隔离和转换。考虑到三项交流电机启动需要叫高功率的双向硅芯片，优选的， 根据三相交流电机的要求，本设计选取BTA24-1200B双向可控硅芯片，本芯片最高可耐压1200V电压，电流支持15A。光耦的输出驱动侧连接双向可控硅的使能驱动G端，三路输入端接入380V三相交流电，三路输出端接三相交流电机。这样，通过光耦电路的触发信号就可以对三相交流电机的启停进行控制。装置在双向硅的输入和输出侧设计了并联的阻容吸收电路和压敏电阻，它们能够有效吸收和消耗电路断开时感性负载产生的自感电动势，可防止过电压造成的负载绝缘击穿可有效抑制操作过电压的瞬间振荡和高频电流，使过电压的波形变缓，陡度和幅值降低，再加上电阻的阻尼作用，使高频振荡迅速衰减。综上所述，与现有技术相比较，本发明提供了一种具备现场总线通信与交流电机驱动一体化功能的CANopen电机驱动装置。该装置同时具有CANopen现场总线通信功能和三相交流电机的驱动功能，通信符合CiA定义的CANpen协议标准以及DS301规定，电机驱动装置可直接驱动一台功率不大于200w的三相交流电机，并且可 以通过无触点固态接触器开关方式，实现三相交流电机直接驱动，能满足连续或频繁断续工作要求。相比传统方式，本发明在开发周期和成本相较之前有了很大的优势。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种现场总线型交流电机驱动装置，其特征在于该装置包括 CANopen通信接ロ单元硬件结构包括双向连接的自带CAN控制器的微处理器和CAN收发器；该接ロ単元用干与CANopen现场总线之间进行数据交換，微处理器完成对内部CAN控制器初始化工作，并利用微处理器内嵌的CANopen协议栈代码，完成与CANopen总线的数据通信； 输入信号接ロ单元主要由输入光耦隔离电路构成，并与CANopen通信接ロ单元中的微处理器连接；输入信号通过输入光耦电路完成对输入信号的处理，并将输入状态信息传送给微处理器进行接收； 三相交流电机驱动接ロ单元包括与CANopen通信接ロ单元中的微处理器连接的功率驱动电路，以及同时与功率驱动电路连接的三相输出光I禹隔尚电路，三相输出光I禹隔尚电路分别经双向可控硅连接三相交流电机的三个电极；该接ロ单元接收CANopen通信接ロ单元中的微处理器的输出信号后，经过光耦隔离电路完成对双向可控硅进行交流电的通断操作来驱动负载，这样可直接驱动一台三相交流电机。
2.如权利要求I所述的装置，其特征在于所述CANopen通信接ロ単元中的微处理器为AT90CAN128, AT90CAN128是自带CAN控制器的AVR微处理器，一片AVR芯片上集成了微处理器和CAN控制器的功能；它通过内部的Mob设置CAN帧格式和存放数据，与CAN总线收发器完成CAN的收发，运行整个软件协议栈代码进行与CANopen总线的数据通信； 所述CANopen通信接ロ单元中的CAN收发器为CTM1050，它是具有隔离功能的高速CAN总线收发器，主要完成将微处理器AVR芯片AT90CAN128内部CAN控制器发出的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，具有隔离功能和ESD保护作用。
全文摘要
一种具备现场总线通信与交流电机驱动一体化功能的CANopen现场总线型交流电机驱动装置，包括CANopen通信接口单元，其硬件结构为微处理器(自带CAN控制器)和CAN收发器，利用微处理器内嵌的CANopen协议栈代码，完成与CANopen总线进行数据通信；输入信号接口单元，输入信号通过输入光耦电路将输入状态传送给微处理器接收；三相交流电机驱动接口单元，接收微处理器的信号后，通过三相交流电机驱动接口单元可直接驱动一台三相交流电机。
文档编号H02P23/00GK102710211SQ20121016104
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月22日 优先权日2012年5月22日
发明者倪建云, 刘学伟, 贾超, 陈在平 申请人:天津理工大学