基于ARM的銑磨車變流器控制系統(tǒng)

周喜明，鄧木生，譚 兮，張德軍

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

基于ARM的銑磨車變流器控制系統(tǒng)

周喜明，鄧木生，譚 兮，張德軍

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

針對變流器的控制系統(tǒng)，提出了基于ARM的直接轉(zhuǎn)矩控制方式。對銑磨車變流器進行硬件設計和軟件設計；ARM控制系統(tǒng)主要由采集模塊、電源模塊、存儲單元等組成，檢測機車的溫度、壓力等信號，并與DSP進行通訊，來實現(xiàn)對銑磨車變流器的控制。實驗證明，該控制系統(tǒng)能實時監(jiān)測機車的運行情況，記錄各設備的溫度和壓力值。

銑磨車；ARM；變流器

0 引言

隨著高科技的快速發(fā)展，電力電子技術得到了廣泛的應用。其中 ，變頻技術占有至關重要的作用。變頻技術以其優(yōu)越的調(diào)速性能，通常應用于電力、軌道、水泥及煤礦等行業(yè)[1-2]。

目前，變流器的控制方式主要有矢量控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制方式、直接轉(zhuǎn)矩控制方式。矢量控制方式在實際應用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)影響比較大，并且其實現(xiàn)解耦控制和矢量坐標轉(zhuǎn)換也比較復雜，因此實際的控制效果難以達到理想結果。轉(zhuǎn)差率控制方式的關鍵是在于如何準確獲取定子電壓指令和頻率指令，但這受機械特性的非線性和動態(tài)轉(zhuǎn)矩的影響。綜合考慮，直接轉(zhuǎn)矩控制方式比較簡單，其運算只需在定子靜止坐標系中進行，簡化了運算過程，以提高控制運算速度。

針對銑磨車變流器，本文提出了基于ARM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，對該控制系統(tǒng)進行硬件和軟件設計，使其能實時監(jiān)測機車的運行情況，記錄各設備的溫度、壓力值等。綜合各方面的考慮，本課題組選用STM32F417芯片，它是一種最新的ARM Cortex M4內(nèi)核，具有信號處理功能強和運行速度快[3]的特點，其性能遠高于51系列的單片機，并且ARM技術已經(jīng)趨于成熟，其精度和準確度也非常高[4]。

1 總體設計

銑磨車變流器控制系統(tǒng)是以ARM作為核心處理器[5]。ARM處理器分別與上位機、DSP進行通訊。

1）AR M處理器通過控制器局域網(wǎng)絡CAN（controller area network）與上位機進行通訊，將采集的溫度和壓力信號實時地傳送給上位機，上位機根據(jù)該信號，實時監(jiān)測電動機的運行情況，并給出相應的命令；

2）ARM處理器先接收實時溫度和壓力信號，對其處理后，傳送給DSP，DSP對接收到的數(shù)據(jù)再進行處理，計算得到實際的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對變流器的控制。

變流器控制系統(tǒng)的工作步驟為：初始化所有變量，判斷系統(tǒng)通訊模式（網(wǎng)絡或硬線），如果是網(wǎng)絡模式，通過網(wǎng)絡通訊獲取數(shù)據(jù)，如果是硬線模式，通過開關動作直接獲取數(shù)字信號；判斷銑磨車是否運行在牽引工況，如果是，則根據(jù)銑磨車的運行方式（驅(qū)動或剎車狀態(tài)），來給定檔位信號，并啟動水冷系統(tǒng)；自檢是否同時滿足4種情況（1）動力車和作業(yè)車閘缸和彈停緩解；2）牽引發(fā)電動機和作業(yè)發(fā)電動機正常；3）空氣制動系統(tǒng)正常；4）銑磨作業(yè)裝置正常），如果否，一直等待滿足條件，如果是，變頻器開始運行，采集相應的信號，該信號包括故障信號、運行的控制信號、狀態(tài)量的檢測信號及其剎車控制信號，這些信號經(jīng)ARM處理器、上位機、DSP處理器處理后，實現(xiàn)對變流器的控制。銑磨車變流器控制系統(tǒng)流程框圖如圖1所示。

圖1 銑磨車變流器控制系統(tǒng)的流程框圖Fig. 1 The flow diagram for converter control system of milling machine

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計主要包括：ARM控制處理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、輸入/輸出模塊、網(wǎng)絡接口模塊、電源模塊及其他外設等[6]。

2.1 ARM控制處理模塊

ARM控制處理模塊的主要作用是對采集的溫度和壓力等信號進行處理，并與上位機、DSP處理器進行數(shù)據(jù)通訊。

ARM控制處理模塊選用STM32F417芯片[7]。該芯片由32位多層AHB（advanced high performance bus）總線矩陣構成，具有足夠大的存儲空間，通過8條主控總線和7條被控總線來實現(xiàn)相關信號的互連。借助總線矩陣，可以實現(xiàn)主控總線到被控總線的訪問，這樣即使在多個高速外設同時運行期間，系統(tǒng)也能并發(fā)訪問和高效運行。CAN總線作為串口，完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，實現(xiàn)與上位機的通訊；靈活的靜態(tài)存儲控制器FSMC（flexible static memory controller）總線能夠連接同步、異步存儲器和16位PC存儲卡，實現(xiàn)與DSP的數(shù)據(jù)交換[8]。

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊

AD轉(zhuǎn)換模塊是用來測試銑磨車的電動機溫度、變流器溫度、水泵溫度和水泵壓力信號，便于系統(tǒng)實時監(jiān)測電動機的運行情況。

該模塊采用的芯片是AD7606，它是16位、8通道同步模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該芯片均內(nèi)置模擬輸入箝位保護、二級抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、靈活的數(shù)字濾波器、2.5 V基準電壓源、基準電壓緩沖以及高速串行和并行接口。AD轉(zhuǎn)換模塊的工作原理是：通過8個輸入通道V1～V8采集變流器溫度和電動機溫度及壓力信號；配置端口PAR/SER/BYTE SEL為高電平及DB15為低電平，使其為串行輸入，從DB7輸出信號DOUTA；將信號DOUTA經(jīng)過數(shù)字隔離器ADUM7643傳給CPU，CPU可以通過串行外設接口SPI（serial peripheral interface）協(xié)議來配置ADUM7643的內(nèi)部寄存器，實現(xiàn)變流器及電動機模擬數(shù)據(jù)的輸入和輸出。AD轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 AD轉(zhuǎn)換電路圖Fig. 2 AD conversion circuit

2.3 輸入與輸出模塊

輸入與輸出模塊的主要作用是采集輸入的數(shù)字信號，輸出相應的數(shù)字信號。數(shù)據(jù)輸入DI（data input）量主要包括司控器信號、電動機的運行情況（前進、后退）、主電路的一些故障等；數(shù)據(jù)輸出DO（data output）量主要是一些反饋信號。

DI量的采集過程為：先采用SN74LVC138AD的3線-8線制譯碼器來實現(xiàn)輸出線通道的選擇；再通過隔離器SN74HC541DW芯片，將采集的信號傳給CPU。DI量的電路圖如圖3所示。

圖3 DI量采集電路圖Fig. 3 DI acquisition circuit

DO量的采集過程為：通過非門SN74AHC1G14芯片，實現(xiàn)CPU輸出的高電平信號取反，轉(zhuǎn)換成低電平信號；再傳給4個引腳光耦ASSR-3210，其對輸入、輸出電信號起隔離作用，使DO01輸出110 V來控制主電路開關，使變流器開始工作。DO量的電路圖如圖4所示。

圖4 DO量輸出電路圖Fig. 4 DO output circuit

2.4 通訊接口模塊

通訊接口模塊的主要作用是實現(xiàn)ARM處理器與上位機的數(shù)據(jù)傳輸。

通訊接口采用ADM3054芯片。ADM3054是信號隔離CAN收發(fā)器，它在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建一個隔離接口，并能以最高1 Mb/s的數(shù)據(jù)速率工作。該芯片的總線引腳（CANH和CANL）集成既有保護功能、限流和熱關斷特性，又能防止短接到24 V系統(tǒng)中的電源或地。

通訊系統(tǒng)通過芯片ADM3054來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。CPU處理后的數(shù)據(jù)（信號CANRXA）通過CAN總線傳出，輸出信號CANTXA，經(jīng)ADM3054傳給外界網(wǎng)關，與其他設備進行通訊。通訊接口模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 通訊模塊電路圖Fig. 5 Communication module circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件主要包括ARM啟動模塊、CPU與上位機之間的通訊模塊及雙口隨機存取存儲器RAM（random access memory）通訊模塊（實現(xiàn)ARM與DSP之間的通訊）。系統(tǒng)結構如圖6所示。初始化CAN1，使能接收中斷，接收TCMS數(shù)據(jù)，經(jīng)ARM處理器和DSP處理器處理后，再把數(shù)據(jù)傳送給上位機；初始化CAN2，變流器1通過CAN1把數(shù)據(jù)傳送給變流器2。

圖6 系統(tǒng)結構圖Fig. 6 System block diagram

3.1 AD轉(zhuǎn)換模塊的應用程序設計

本文在keil環(huán)境下通過Microsoft Visual C++進行程序設計。系統(tǒng)主要通過AD7606采集數(shù)據(jù)，經(jīng)CPU的SPI總線來完成該數(shù)據(jù)的傳送。AD轉(zhuǎn)換模塊的主要流程是：初始化AI端口；判斷AD轉(zhuǎn)換是否完成，如果否，則不進入中斷函數(shù)，如果是，則進入中斷函數(shù)，調(diào)用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，再經(jīng)SPI總線傳送數(shù)據(jù)。AD轉(zhuǎn)換模塊的流程圖如圖7所示。

AD轉(zhuǎn)換模塊的主要功能是將CPU中的低電壓信號轉(zhuǎn)變成變流器溫度和電動機溫度及電壓信號。CPU的電壓信號與外界的模擬信號呈線性關系，即

式中：i=1～8；

Ai為傳感器的實際值；

tempi為CPU的實際電壓值；

conmax,i, conmin,i分別為CPU電壓參考值的最大值和最小值；

phymax,i, phymin,i分別為傳感器參考值的最大值和最小值。

圖7 AD轉(zhuǎn)換模塊的流程圖Fig. 7 AD conversion module flowchart

3.2 DI/DO開關量的應用程序設計

在DI/DO開關量的程序設計中，由于采用Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)，而微軟為Windows系統(tǒng)提供的一些高級數(shù)字量函數(shù)在嵌入式系統(tǒng)中無法實現(xiàn)，所以終端采用vFSMC和GPIO_WriteBit函數(shù)來分別實現(xiàn)開關量的輸入、輸出工作。DI/DO開關量采集的工作過程是：初始化延時器、DI量和DO量；延時器延時20 ms；讀DI量；寫DO量。DI/DO開關量的工作流程圖8所示。

DI/DO開關量程序調(diào)用的主要函數(shù)如下：

vFSMC_ReadBuffer()，GPIO_WriteBit()。

DI開關量的讀取是先讀取對應地址中的數(shù)據(jù)，并存儲到緩沖區(qū)，即通過調(diào)用vFSMC_ReadBuffer()函數(shù)來實現(xiàn)。vFSMC_ReadBuffer()函數(shù)將地址中的數(shù)據(jù)取出來，存到結構體logic_DI.Data中，來完成開關量的讀取，即

vFSMC_ReadBuffer(((u8*)(&logic_DI.Data)), DIn_Reg_Add, DIn_Reg_Len)。

DO開關量的寫入是通過調(diào)用GPIO_WriteBit()函數(shù)實現(xiàn)。具體過程為：先設置ARM處理器的端口，將變流器運行的邏輯量寫到ARM處理器的端口；再控制外部主電路的動作。GPIO_WriteBit()函數(shù)如下：

GPIO_WriteBit(GPIOPortArr[i], GPIOPinArr[i], (BitAction)(～logic_IO.INVERR1))，

其中i=0,1,…,5。

本系統(tǒng)包含6個DO量，分別為變流器正常、水冷裝置水泵的啟停、水冷裝置風機的啟停和水冷裝置工作正常等。

圖8 DI/DO開關量的工作流程圖Fig. 8 The working flowchart of DI/DO switch

3.3 網(wǎng)關通訊的應用程序設計

網(wǎng)關通訊包括2種通訊方式。1）CAN與上位機通訊，通過CAN1TX將電動機溫度、變流器的電壓和變流器的電流傳給上位機，通過CAN1RX接收上位機對變流器的控制信號，通過CAN2將變流器1的牽引力、制動力和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)傳給變流器2。2）雙口ARM通訊實現(xiàn)ARM與DSP之間的通訊。主要函數(shù)如下。

1）CAN2數(shù)據(jù)發(fā)送、CAN1數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

控制器區(qū)域網(wǎng)絡CAN包括CAN1和CAN2，CAN1實現(xiàn)與上位機的通訊，CAN2用來與銑磨車另一個控制板進行通訊。網(wǎng)關配置的工作過程為：延時器和CAN初始化；延時20 ms；CAN1和CAN2發(fā)送數(shù)據(jù)；判斷CAN1接收數(shù)據(jù)是否已完成，如果是，則進入中斷函數(shù)，否則延時等待。網(wǎng)關流程如圖9所示。

CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送過程為：首先配置CAN總線的地址，每次傳送的數(shù)據(jù)長度為8b；CAN1調(diào)用函數(shù)memcpy()將TxMessage.TxPD[]中的數(shù)據(jù)復制給Can1TxTsgTmp.Data，再調(diào)用函數(shù)CAN_Transmit()將數(shù)據(jù)傳輸出去；CAN2調(diào)用函數(shù)memcpy()將TxMessage2. TxPD[]中的數(shù)據(jù)復制給Can2TxTsgTmp.Data，再調(diào)用函數(shù)CAN_Transmit()將數(shù)據(jù)傳輸出去。

memcpy()和CAN_Transmit()函數(shù)形式如下：

memcpy(Can1TxTsgTmp.Data, &TxMessage. TxPD[Can1TxCount*4], 8)；

TransmitMailbox1 = CAN_Transmit(CAN1, &Can1TxTsgTmp)；

memcpy(Can2TxMsgTmp.Data, &TxMessage2. TxPD[Can2TxCount*4], 8)；

TransmitMailbox2 = CAN_Transmit(CAN2, &Can2TxMsgTmp)。

CAN數(shù)據(jù)的接收過程為：上位機給系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，程序就進入CAN中斷函數(shù)，接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)上位機對變流器的控制。CAN數(shù)據(jù)的接收是通過調(diào)用CAN1_RX0_IRQHandler()函數(shù)來實現(xiàn)，即

void CAN1_RX0_IRQHandler(void)。

圖9 網(wǎng)關工作流程圖Fig. 9 Gateway work flowchart

2）雙口RAM通訊

雙口RAM通訊是通過調(diào)用vFSMC函數(shù)來實現(xiàn)，完成ARM與DSP之間的數(shù)據(jù)交換。雙口RAM通訊的主要過程為：初始化vFSMC；設置ARM與DSP之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮瘮?shù)。雙口RAM通訊的工作流程框圖如圖10所示。

雙口ARM通迅調(diào)用vFSMC_SRAM_WriteBuffer()函數(shù)，其將DualRamTxMsg里的數(shù)據(jù)傳送給CPU，CPU將電動機的給定轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和啟動情況等數(shù)據(jù)傳給DSP ；調(diào)用函數(shù)vFSMC_SRAM_ReadBuffer()，接收DSP傳送的實際轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和故障代碼等數(shù)據(jù)，通過CPU處理，將數(shù)據(jù)存在DualRamRxMsg中。具體函數(shù)格式如下：

vFSMC_SRAM_WriteBuffer(DualRamTxMsg, 0x10*2, DUAL_RAM_TX_BUF_SIZE)；

vFSMC_SRAM_ReadBuffer(DualRamRxMsg, 0x80*2, DUAL_RAM_RX_BUF_SIZE)。

圖10 雙口ARM的工作流程圖Fig. 10 ARM dual-port working flowchart

4 結論

本文對銑磨車變流器控制系統(tǒng)的硬件和軟件進行了詳細設計。測試結果表明，基于STM32F417的控制系統(tǒng)能監(jiān)測變流器的運行情況，并對變流器進行實時控制。該系統(tǒng)具有抗干擾性強、精度高、響應速度快等優(yōu)點。

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（責任編輯：鄧 彬）

ARM-Based Converter Control System of Milling Machine

Zhou Ximing，Deng Musheng，Tan Xi，Zhang Dejun
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the converter control system, puts forward the direct torque control method based on ARM. The hardware and software of the converter for milling machine are designed; ARM control system is mainly composed of acquisition module, power module and memory unit, etc., and ARM processor detects the temperature and pressure signals of the locomotive and communicates with the DSP to control the milling machine converter. Experiments show that the control system is capable of real-time monitoring the locomotive operation and recording the temperature and pressure value of each device.

milling machine；ARM；converter

TM46

A

1673-9833(2015)05-0056-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.012

2015-08-02

周喜明（1990-），女，湖南邵陽人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為現(xiàn)代電力電子技術及系統(tǒng)，E-mail：1055002668@qq.com