基于Canopen协议的VACON变频器的应用

张泽宇，刘洋，陈卓，蒋炜

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

基于Canopen协议的VACON变频器的应用

张泽宇，刘洋，陈卓，蒋炜

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

本文介绍了基于CANOPEN协议的VACON变频器的应用。采用在船舶电力推进领域应用广泛的现场总线CAN协议，应用层采用CANOPEN协议对VACON变频器进行监测与控制，在船舶电力推进系统中具有成本低廉、开发方便及实用等优点。

CANOPENVACON电力推进

0　引言

随着船舶电力推进技术的不断发展，CAN总线作为一种高性能、高可靠性、价格低廉、开发方便的现场总线得到了越来越多的应用。本文应用CANOpen协议对VACON变频器进行了监测与控制，可靠性高、成本低廉、开发自主化程度高，具有很好的实用性。

图1所示为CANOpen设备结构，不同设备通过CANBUS总线组成总线网络，完成通信数据的交换，通讯数据的交换也可看为通信对象的交换。对象字典取代了常规的通信数据包概念，是一个标准化结构的对象组，包含了数据类型、通信对象、应用对象等内容。任何设备均有其唯一的对象字典，设备内定义内容不同则对象字典的具体内容不同。

1　CANOpen协议介绍

CANOpen协议作为CAN总线应用层中通讯协议的一种，最先在欧洲得到了推广及应用。经过多年的发展，CANOpen协议广泛应用于工业控制、汽车工业、船舶海运等工业领域。

1.1CANOPEN主要协议

随着CANOpen协议的发展，CANOpen协议发展出一系列对对象字典及各种设备细化的子协议。子协议针对对象字典中的功能、索引、子索引、数据类型等内容进行了细化定义，保证了不同厂商的设备的统一性及兼容性。

1.2CANOPEN通讯

在CANopen协议中主要定义了管理报文对象NMT（Network Management）、服务数据对象SDO(Service Data Object)、过程数据对象PDO(Process Data Object)等四种对象。

图1　CANOpen设备结构

1）管理报文NMT

管理报文NMT负责对CANOpen网络中断设备的对象字典进行网络管理及配置。在一个CANOpen网络中只允许存在一个主节点和多个从节点。

2）服务数据对象SDO

一般CANOpen网络上都是一主多从的模式，主节点可通过SDO数据包对从节点进行相应的参数配置。此时CANOpen主节点作为SDO客户端而从节点作为SDO服务器。主节点通过SDO数据包可以访问从节点上的对象字典。

3）过程数据对象PDO

PDO的作用是实时数据传输，传输模型如图2所示。每个PDO数据包最多可传输8字节的数据。PDO通信对象具有如下的特点：

（1）PDO数据包中的内容即CAN-ID（同时也称为COB-ID）内容。

（2）每个PDO数据包在对象字典中包含2个对象的描述。一个为PDO通讯参数，其针对设备的COB-ID、传输类型和定时周期作了具体的描述；另一个是PDO映射参数，映射参数针对对象字典中的对象列表进行了定义，用户可通过对象列表查找到所需的PDO数据包内容。

（3）PDO具有多种传输方式：

2　VACON变频器中CANOPEN对象字典介绍

VACON变频器在采用CAN通讯方式的时候，需要选配OPTC-6选配卡，可以通过CAN总线对变频器进行监测与控制。

表1　VACON变频器CANOPEN参数

在VACON变频器中可以通过串口线或设定屏来对CANOPEN网络中的物理层进行设定，包括VACON变频器的节点号、通讯的波特率和操作模式，见表1。

2.1Driver模式

Driver模式的通讯参数表见表2，在该模式中，可通过NMT、PDO信息的来对本节点进行控制。

表2　Driver模式参数

表3　PDO参数

其中状态字和控制字的定义如表4所示。

表4　Driver模式控制字和状态字定义

在上电之后，需要通过状态字来对变频器的状态进行调整，其中包含变频器状态机的变化。可按照以下PDO参数进行状态机切换。

表5　Driver模式变频器控制流程

在速度给定阶段，本范例中给定的为0x0078=120rpm，当需要电机反转时，仅需给定转速为负值即可，如给定0xFF38=-200rpm。

2.2Bypass模式

Bypass模式的通讯参数表见表6，在该模式中，可通过NMT、PDO信息的来对本节点进行控制。

表6　Bypass模式参数

表7　PDO参数

可以看出，Bypass模式的自主化应用程度更高，在该模式下，可以通过更改设定状态1-6的定义来对PID参数、转速变化斜率等进行设置，同时可以通过更改设定状态1-6的定义来实时监测诸如变频器输出频率、电机电流、电机转矩等状态量，具有很好的扩展性和自主性。

且该模式下并未采用状态机的方法来对变频器状态进行控制，因此控制更为方便简单，具有很好的实用性，因此在实际应用中，我们一般采用这种控制方式。

在该模式下的状态字和控制字的定义如表8和表9所示。

表8　Bypass模式控制字定义

0停止运行1正转反转2故障复位（上升沿）3…15未使用

表9　Bypass模式状态字定义

在上电之后，可以通过以下PDO参数来对变频器状态进行控制。

在速度给定阶段，由于本模式下速度给定值为相对于频率的最高值，因此实际转速rpm=给定值/10000*65，当设定转速为0x0535时，此时实际转速为200 rpm。同时当给定转速时，本模式不接受负转速的给定，在控制字中存在一位对电机转动方向进行控制，见表10。通过现场总线调整转速，相对于通过模拟量调整转速信号更为准确和稳定，具有可靠性高、给定稳定、调速方便等优点。

表10　Bypass模式变频器控制流程

3　CANOPEN控制VACON变频器试验

在试验中，采用Bypass的模式对VACON变频器进行控制与监测。本试验中设定VACON变频器的节点号为01，通讯速率为125 kps。当发送正转指令，设定转速为200 rpm后，变频器监测信息变为图3所示。可以看出，当给定转速指令后，转速变为199 rpm，并在199 rpm和200 rpm之间跳动，与设定的200 rpm基本一致。

当发送反转指令，设定转速为200 rpm后，变频器监测信息变为图4所示。

图3　变频器监测信息（正转）

图4　变频器监测信息（反转）

4　小结

本文针对采用应用范围极广的CANOpen协议进行了介绍，然后应用CANOpen协议中的相关内容对船舶行业应用十分广泛的VACON变频器的监控方式进行了介绍，详细介绍了Driver模式和Bypass模式，并实际采用Bypass模式进行了变频器监控试验，具有可靠性高、成本低廉、开发自主化程度高的优点。

[1]Holger Zeltwanger,周立功,黄晓清译.现场总线CANOpen设计与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社,2011.7.

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

[3]赵斌.基于CANopen的模拟量测量模块:[硕士学位论文].天津:天津大学,2007.

[4]武晓云,曹忠身.船舶机舱自动化CAN现场总线监控系统体系结构及功能描述.中国造船,2001,(1): 69-74.

[5]马文敏,王志刚,王新磊,孟馨.基于CANopen的自动化船舶监控系统.电子科技,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文献分类号：1003-4862（2015）10-0022-04

2015-03-14

张泽宇（1989-），男，工程师。研究方向：船舶监控系统。