隨著國民經濟的飛速發展，交流電動機在工業生產中扮演了極為重要的角色，作為各行業中的主要拖動電機，應用更為廣泛。眾所周知，交流電動機在全壓起動時，起動電流達到額定電流的5～7倍，會對電網造成沖擊；起動轉矩約為額定轉矩的2倍，加劇機械結構磨損。為了解決交流電動機的起動問題，通常需要使用軟起動器進行軟起動。

當前軟起動器的監控一般由各自獨立的監控單元進行，無法對整個系統實現全面的控制和監測。因此，建立一套數據通信系統將各軟起動監控節點連接起來，組成完整的監控網絡就顯得非常必要。

相對于RS-485等通信標準，CAN（Controller Area Network）總線以其具有的諸多優點而在許多領域得到了應用。CAN總線是德國Bosch公司于上世紀80年代初推出的一種多主局域網，CAN通信網絡是一種全分散、全數字化的智能雙向、多變量、多點、多站的分布式通信體系，具有可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通信速度塊、成本低等諸多優點。CAN總線是一種非常適合工業現場惡劣環境的通信方式。本文介紹了一種基于CAN總線的交流電機軟起動通信系統。

CAN通信系統結構

交流電機軟起動通信系統由一臺工控機作為監控主機，工控機通過CAN總線接口接入CAN總線，各節點是由單片機控制的具有CAN總線數據收發功能的交流電機軟起動器。系統結構如圖1所示。

圖1 通信系統結構框圖

通信系統各部分提供了不同的功能。其中，工控機控制交流電機軟起動器的工作狀態，例如軟起動、軟停車等，顯示軟起動的各項參數如起動電壓、起動電流等。軟起動器按照工控機的命令控制交流電機軟起動，并采集電機起動電流、電壓等參數，通過CAN總線發往工控機。

CAN通信協議

本通信系統中，傳輸的數據長度不是固定的。工控機向軟起動器下達的控制命令只有幾個字節，而軟起動器向工控機上傳的軟起動實時數據一般有幾十個字節。因此CAN通信協議需要有大數據量傳輸能力，又要快速高效。由于CAN通信采用短幀結構，每幀有效數據長度最多為8個字節，在傳輸數據量較大時，就要將數據拆分為多個幀進行傳輸。如果將所有信息和數據都放在8個字節的數據場中，將會使傳輸幀中有效數據少，通信信息多，降低CAN總線通信效率。所以，本文采用了利用報文標識符中的仲裁場包含通信控制信息，數據場包含實際數據的方法，以提高通信效率。

本系統中，CAN通信采用CAN2.0B標準中帶29位報文標識符的擴展幀。報文標識符中包含緊急標記、目的地址、源地址、幀類型、幀號，其格式如表1所示。

其中緊急標記僅有1位，用來標記當前幀的優先級，對于一般信息，該位置1，對于緊急信息（如三相電壓不平衡、過流、軟起動器組件故障等報警信號）該位置0，從而使其擁有高優先級，盡快傳送到目的地。

目的地址共7位，指示該幀所要到達的目的地，可以是某一具體地址，也可以是廣播地址（主要用于工控機以廣播方式向各軟起動器傳送數據，如對時數據等）。

源地址共7位，指示該幀的來源地址。

幀類型有4位，說明了該幀的類型，如工控機控制命令、軟起動實時數據等。

幀號共8位，用來在多幀傳輸中標記該幀的序號。

每個CAN通信節點都有一個唯一的地址號，地址號使用7位二進制數表示。其中，優先級最高的地址分配給工控機，優先級最低的地址作為廣播方式的目的地址，其它地址依次分配給各軟起動器。

CAN節點采用雙濾波方式獲取本節點所需信息，兩個濾波器均采用7位有效數據，分別對應節點地址和廣播方式下的地址。這樣，就僅有發往該節點的幀和廣播幀能夠進入應用層進行處理，其它無關通信內容都被過濾掉，提高了系統運行效率。

工控機對軟起動器的控制命令由對應的控制命令代碼表示。主要的控制命令有：軟起動開始/停止，軟停車開始/停止，起動方式（階躍式、脈沖突跳式、恒流式）設置，起動時間設置等。有些控制命令帶有相關參數，如起動時間命令中時間長度。控制命令代碼和命令參數存放在數據場中。

軟起動器CAN通信硬件設計

軟起動器的CAN通信由P89V51RD2單片機、CAN控制器SJA1000、CAN總線收發器PCA82C250和光耦6N137組成，電路原理如圖2所示。

圖2 軟起動器CAN通信電路原理圖

SJA1000是一款獨立的CAN控制器，具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協議。PCA82C250為總線收發器，主要功能是增大通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線，實現熱保護等。為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，SJA1000通過高速光耦6N137與PCA82C250相連，這樣就很好地實現了總線上各CAN節點間的電氣隔離。光耦兩側電源完全電氣隔離，隔離電源由小功率電源隔離模塊B0505提供。

軟起動器CAN通信程序設計

軟起動器上電后，首先進行自檢，自檢完成后向工控機發送自檢結果；若自檢成功，工控機向軟起動器發送軟起動初始化參數和“允許起動”命令，電機開始軟起動；軟起動過程中，軟起動器每隔100ms發送一次軟起動數據，包括三相電壓、三相電流、電機轉速等信息；電機運行完畢，工控機發送“軟停車開始”命令，軟起動器開始控制電機軟停車；當軟起動器出現故障時，工控機會收到故障報警信號，同時顯示故障原因。

軟起動器CAN通信程序主要包括三個部分：CAN節點的初始化，報文的發送和報文的接收。其中CAN節點初始化部分是關鍵，正確的初始化保證了報文發送和接收的正常工作。CAN初始化程序流程如圖3所示。

圖3 CAN初始化程序流程圖

報文發送時，只需將待發送的數據按照通信協議規定組合成一幀報文，送入發送緩沖區，然后啟動發送即可。其程序流程圖如圖4所示。

圖4 CAN報文發送程序流程圖

報文的接收過程中，首先要對諸如總線脫離、錯誤報警等情況進行判斷處理，然后讀取緩沖區內數據，最后釋放緩沖區和相關寄存器，完成接收并轉入對數據的處理程序。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 CAN報文接收程序流程圖

6 結束語

本文設計的是一個可靠、高效的交流電機軟起動通信系統，利用CAN總線技術，實現了電機軟起動遠程控制和監測功能。該系統已成功應用于某水泵站電機軟起動系統中，實踐證明，該系統抗干擾能力強，實時性能好，運行穩定，達到了設計要求。