TTCAN在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

　　近幾年，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入一個(gè)高速增長期[1]，而隨著風(fēng)電的火熱，風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)用于1兆瓦風(fēng)力發(fā)電控制。設(shè)計(jì)包括了主控制器模塊、i/o模塊、電網(wǎng)測量模塊和變槳驅(qū)動(dòng)模塊，各模塊間通過can總線連接進(jìn)行通訊。

　　由于傳統(tǒng)的can網(wǎng)絡(luò)沒有統(tǒng)一的全局時(shí)鐘，本質(zhì)上是以事件觸發(fā)為基礎(chǔ)的總線系統(tǒng)，會(huì)經(jīng)常存在總線時(shí)序混亂、報(bào)文發(fā)送沖突導(dǎo)致發(fā)送延遲等弊端，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[2]。盡管事件觸發(fā)can在報(bào)文發(fā)送失敗后提供自動(dòng)重發(fā)功能，但是發(fā)送的延時(shí)會(huì)導(dǎo)致報(bào)文幀發(fā)送的確切時(shí)間難以預(yù)料，從而導(dǎo)致can網(wǎng)絡(luò)報(bào)文發(fā)送周期的抖動(dòng)。所以報(bào)文發(fā)送時(shí)倘若發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，報(bào)文的重傳會(huì)加重can總線的負(fù)擔(dān)，很可能造成某報(bào)文幀因重傳的延時(shí)而錯(cuò)過其有效時(shí)間[3]，實(shí)時(shí)性大打折扣。而采用時(shí)間觸發(fā)的ttcan協(xié)議，保證任何時(shí)候總線上只有一條信息傳輸，能有效地避免沖突造成的總線仲裁，避免報(bào)文重傳，在具有較多節(jié)點(diǎn)且通訊量較大的can總線通訊中，能更好地控制通訊周期，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本論文設(shè)計(jì)采用基于ttcan的can總線通信方式來實(shí)現(xiàn)分布式風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)各模塊間的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)結(jié)合冗余措施，旨在提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖1為本控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)包括cpu模塊、變槳伺服卡模塊、3個(gè)i/o模塊和電網(wǎng)測量模塊一共6個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)選用infineon公司xc164cs單片機(jī)來完成總線架構(gòu)。xc164cs所具有的twincan模塊包括兩個(gè)全功能can節(jié)點(diǎn)，與外擴(kuò)can芯片相比在保證速度和穩(wěn)定性的同時(shí)也為軟件編程提供了方便。兩個(gè)全can節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)都能接收和發(fā)送帶11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀和帶29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。兩個(gè)can節(jié)點(diǎn)共享twincan模塊的資源，目的是優(yōu)化can總線通信處理以及使cpu負(fù)荷最小[4]。全can功能與fifo結(jié)構(gòu)的靈活組合可滿足復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。同時(shí)它具備禁止重發(fā)功能，所以利用各個(gè)模塊xc164cs單片機(jī)的twincan模塊可以很方便地組建控制系統(tǒng)各模塊間雙冗余的ttcan通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 風(fēng)力發(fā)電控制器系統(tǒng)總體框圖

3 ttcan原理與實(shí)現(xiàn)

　　ttcan是在傳統(tǒng)can的基礎(chǔ)上融入時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，任何動(dòng)作都是由一個(gè)時(shí)間(全局同步)系列決定的[5]，它將通訊周期分割成若干時(shí)間片，同時(shí)分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)調(diào)度時(shí)刻表，總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格遵照該時(shí)刻表在各自的時(shí)間片中進(jìn)行can數(shù)據(jù)收發(fā)[6]，如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘到達(dá)3ms和6ms時(shí)，發(fā)送報(bào)文a；到達(dá)5ms和9ms時(shí)，分別接收報(bào)文b和發(fā)送報(bào)文c。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的報(bào)文活動(dòng)都安排在一個(gè)這樣的周期性的時(shí)刻表內(nèi)，得到了系統(tǒng)信息陣，來控制所有節(jié)點(diǎn)正常有序的進(jìn)行通訊。從而保證任何時(shí)刻總線上只有一條數(shù)據(jù)傳輸，避免總線仲裁，確保了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，所以ttcan的設(shè)計(jì)實(shí)際上是制定能滿足系統(tǒng)控制周期的can節(jié)點(diǎn)調(diào)度時(shí)刻表[7]。

圖2 ttcan時(shí)刻調(diào)度表

在ttcan網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的同步是靠所謂的參照報(bào)文維持的，如圖3，它由一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送，這就是時(shí)間主機(jī)(主節(jié)點(diǎn))。參照報(bào)文也是一個(gè)can數(shù)據(jù)幀，其特征在于它的標(biāo)識(shí)符。有效的參照報(bào)文同時(shí)被所有節(jié)點(diǎn)識(shí)別。兩個(gè)參照報(bào)文之間的時(shí)間構(gòu)成了can傳輸?shù)幕局芷?，基本周期又由很多時(shí)間窗組成，在每個(gè)時(shí)間窗中可進(jìn)行特定的報(bào)文操作[8]。每一個(gè)有效參照報(bào)文啟動(dòng)了一個(gè)新的基本循環(huán)，并且引起了每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的循環(huán)時(shí)間復(fù)位，于是另一個(gè)基本循環(huán)重新開始，也就是說，ttcan的時(shí)間觸發(fā)通信是基于參照報(bào)文的周期通信[9]。