1  引言
      風力發(fā)電機組的控制系統(tÇ’ng)是綜合性控制系統(tÇ’ng)，控制系統(tÇ’ng)不僅要監(jiān)視機組運行參數(shù)，對機組進行并網(wÇŽng)與脫網(wÇŽng)控制，而且還要根據(jù)風速與風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制。CAN總線是一種支持分布式控制系統(tÇ’ng)和實時性控制的串行通信網(wÇŽng)絡。其以多主機方式工作，通信速率可達1mbps。
      can總線的上述特點正適用于風力發(fā)電機控制系統(tÇ’ng)的獨特要求，因此，本文提出一種基于can總線架構的風力發(fā)電控制系統(tÇ’ng)?？刂葡到y(tÇ’ng)中各模塊之間通過can總線實時交換數(shù)æ“š(jù)，實現(xiàn)主控系統(tÇ’ng)及各控制節(jié)點間的實時通信與數(shù)æ“š(jù)交換。文章在分析了can協(xié)議及can獨立控制器sja1000工作原理和讀寫邏輯的基礎上，設計了can接口，給出了硬件原理圖，分析了can通訊程序流程及系統(tÇ’ng)中信號和控制指令的通訊幀格式。另外，本文還給出了基于嵌入式qt的應用程序的設計方案。
2  系統(tÇ’ng)結構與功能
      本文基于分散控制系統(tÇ’ng)理念，針對雙饋型變速恒頻風力發(fā)電機組設計控制系統(tÇ’ng)。雙饋型風電機組控制系統(tÇ’ng)基本結構如圖1所示。

圖1  雙饋型風電機組控制系統(tÇ’ng)基本結構

      主控制器選用32位嵌入式處理器at91rm9200，通過硬件設計擴展外圍can接口，實現(xiàn)與其它節(jié)點的通信。同時外接帶觸摸屏的lcd顯示器，監(jiān)控界面利用嵌入式qt設計，對整個機組實時監(jiān)控。主控制器通過以太網(wÇŽng)與風電場控制中心通信。變流器控制采用雙pwm控制方式，即由兩個dsp生成pwm信號，電機側部分負責電機勵磁控制，網(wÇŽng)側負責并網(wÇŽng)控制；兩模塊均基于tms320f2812設計，通過其自帶的ecan接口與主控制器及其它節(jié)點通信。變槳控制系統(tÇ’ng)同樣基于arm(at91rm9200)設計，擴展can接口實現(xiàn)通信。變槳控制器和變頻控制器通過i/o通道采集接收各傳感器數(shù)æ“š(jù)，并進行相關計算與判斷，輸出控制信號，實現(xiàn)智能分散控制，同時向主控制器發(fā)送機組參數(shù)并接收主控命令。整體結構框圖如圖2。

圖2  風力發(fā)電機組控制系統(tÇ’ng)整體結構

      主控制器位于地面控制柜，變槳控制器位于機艙控制柜，變頻控制器分電機側和網(wÇŽng)側兩部分，位于地面控制柜。模塊與模塊之間can總線信號經(jÄ«ng)光電轉換后使用光纖連接。
3  can接口硬件設計
      can是一種基于廣播的通訊機制，報文依靠報文標識符來進行識別。can協(xié)議支持兩種幀格式，不同之處在于標識符域的長度不同，一種被稱為can標準幀，支持11bit的標識符長度；另一種稱為can擴展幀，支持29bit的標識符。
      can接口芯片選用philips公司的can獨立控制器sja1000。arm處理器at91rm9200å…§(nèi)部集成了外部總線接口ebi，通過此接口與sja1000連接。從sja1000輸出的can信號，通過光藕器件隔離后連接到收發(fā)器tja1050，收發(fā)器的輸出與總線連接。
      sja1000的地址線和數(shù)æ“š(jù)線是分時復用的，而at91rm9200的外部數(shù)æ“š(jù)總線接口ebi的地址線和數(shù)æ“š(jù)線是相互獨立的，因此，需要通過軟件編程實現(xiàn)地址的鎖存，以達到數(shù)æ“š(jù)和地址的分時傳輸。硬件原理圖如圖3[3]。

圖3  can接口硬件原理圖

      sja1000的數(shù)æ“š(jù)/地址復用總線直接與armçš„ebi數(shù)æ“š(jù)總線低8位連接，地址鎖存信號/aleç”±armçš„a0產(chÇŽn)生，/cs與/we分別由ncs4å’Œnew與a0經(jÄ«ng)或運算后產(chÇŽn)生。由硬件電路可確定sja1000的物理地址是0x50000000。
      風電場環(huán)境惡劣，為了保證控制系統(tÇ’ng)準確傳輸數(shù)æ“š(jù)，增強can總線節(jié)點的抗干擾性能， sja1000控制器經(jÄ«ng)過高速光藕6n137隔離后與收發(fā)器tja1050相連，實現(xiàn)總線上各can節(jié)點之間的電氣隔離。采用dc-dc電源隔離模塊dcr010505，實現(xiàn)光耦兩端的電源隔離。canh接總線的高電平端，canl接總線的低電平端。由于風電機組垂直距離較高，容易受雷電的影響，在兩根can總線輸入端與地之間分別并聯(lián)一30pf的電容和一防雷擊管，以濾除高頻干擾和防止浪涌電壓。
4  can接口通訊軟件設計
      對于can的通訊程序，采用分層處理的方法，包括驅動層和應用層。因此，can接口軟件通訊包括兩部分：can驅動程序和can應用程序。驅動程序負責完成linuxå…§(nèi)核與sja1000之間的數(shù)æ“š(jù)通訊，即linuxå…§(nèi)核設置sja1000的控制寄存器，讀寫sja1000接收、發(fā)送緩沖器。應用程序部分負責完成用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)æ“š(jù)交換，以及分析從sja1000接收到的報文，封裝要發(fā)送報文。接收的報文主要包括來自變流模塊和變槳偏航控制模塊的機組狀態(tài)信息及風速風向、各類溫度和轉速信號等。發(fā)送的報文包括下發(fā)給變流模塊和變槳偏航控制模塊的控制指令及控制參數(shù)。
4.1 can驅動程序設計
    (1)底層驅動程序總體設計。在linux中設備驅動程序是由一組數(shù)æ“š(jù)結構和函數(shù)組成的，它包含設備服務子程序(如open、read、write、close、ioctlç­‰)、初始化函數(shù)can_init()和中斷處理程序can_interrupt()。
      在linux加載can驅動時調(diào)用can_init()，向操作系統(tÇ’ng)注冊設備，同時完成can總線波特率的設置，id過濾器的設置，清空接收和發(fā)送緩沖區(qÅ«)，開啟中斷等工作，完成初始化后，退出復位模式，進入正常的工作模式。

      read從接收緩沖區(qÅ«)讀取數(shù)æ“š(jù)ï¼›write向發(fā)送緩沖區(qÅ«)寫人數(shù)æ“š(jù)ï¼›release關閉can 控制器；ioctl向can 控制器發(fā)各種操作命令，包括設置sja1000總線波特率、id過濾器等ï¼›open 打開can 控制器，并使用函數(shù)request_irq()向系統(tÇ’ng)申請中斷，并設置中斷處理程序為can_interrupt()，當sja1000å…§(nèi)部中斷寄存器(ir)的任意位置為1時，int引腳低電平有效，調(diào)用其中斷處理函數(shù)can-interrupt()，在該函數(shù)中讀取中斷控制寄存器，判斷中斷原因(接收中斷、發(fā)送中斷、錯誤中斷、數(shù)æ“š(jù)溢出中斷、喚醒中斷)，從而調(diào)用相應的服務子程序。
    (2)sja1000讀寫邏輯分析及設計。由于sja1000的地址線和數(shù)æ“š(jù)線是分時復用的，需要通過軟件編程模擬地址鎖存信號，以達到數(shù)æ“š(jù)和地址的分時傳輸，因此，在程序設計中，要考慮sja1000的讀寫時序。圖4為sja1000的寫時序圖。

圖4  sja1000寫時序圖

4.2 寫時序邏輯
      通過分析寫時序，可知，sja1000的寫數(shù)æ“š(jù)/命令過程分為以下兩步[4]：
    (1)å°‡sja1000çš„ale引腳信號拉高，然后往復用總線上送地址信號，待數(shù)æ“š(jù)ç©©(wÄ›n)定后，拉低ale信號，在ale引腳產(chÇŽn)生下降沿，進行地址鎖存。
    (2)å°‡cs引腳信號拉低，并拉低wr信號，打開寫允許；然后往復用總線上送數(shù)æ“š(jù)信號，待數(shù)æ“š(jù)ç©©(wÄ›n)定后，拉高wr信號，使wr引腳產(chÇŽn)生上升沿，進行寫操作，將數(shù)æ“š(jù)寫入sja1000目標寄存器。
      linux系統(tÇ’ng)中，不能直接訪問物理地址，而是先要映射到內(nèi)核空間中，通過虛擬地址去訪問。由硬件電路可知，sja1000的物理地址是0x50000000，最大空間為為108個字節(jié)(pelican方式)。sja1000寫程序如下：
    addr = ioremap(0x50000000, 0x80);
    void write_sja1000 (unsigned int data, unsigned int reg) {
    writeb (reg, addr+1);
    writeb (data, addr);
    }
       其中，ioremap()為物理地址到虛擬內(nèi)存的映射，addr為地址映射后得到的內(nèi)核空間虛擬地址ï¼›reg是sja1000å…§(nèi)部寄存器地址；data是要寫的數(shù)æ“š(jù)。writeb(reg, addr+1)模擬ale鎖存地址，發(fā)地址信號reg，addr+1將使地址線a0產(chÇŽn)生高電平，由硬件設計電路知道這將使地址鎖存信號ale拉高；然后，reg被送到了復用總線上。writeb (data, addr)發(fā)送數(shù)æ“š(jù)到地址reg，addr將使a0拉低，reg被鎖存；然后，data被送到復用總線上，也就寫到了被鎖存的地址reg所指空間。
4.3 讀時序邏輯
    圖5為sja1000的讀時序圖。

圖5  sja1000的讀時序

    通過分析讀時序，可知，sja1000的讀數(shù)æ“š(jù)/命令過程分為以下兩步[4]：
    (1) å°‡sja1000çš„ale引腳信號拉高，然后往復用總線上送地址信號，待數(shù)æ“š(jù)ç©©(wÄ›n)定后，拉低ale信號，在ale引腳產(chÇŽn)生下降沿，進行地址鎖存。
    (2)å°‡cs引腳信號拉低，并拉低rd信號，打開讀允許；然后往復用總線上送數(shù)æ“š(jù)信號，待數(shù)æ“š(jù)ç©©(wÄ›n)定后，拉高rd信號，使rd引腳產(chÇŽn)生上升沿，進行讀操作，將sja1000目標寄存器的數(shù)æ“š(jù)讀回。
    sja1000讀程序如下：
    int read_sja1000 (unsigned int reg) {     
    writeb (reg , addr+1);            
    readb ( addr);
    }
    readb(addr)從地址reg讀取數(shù)æ“š(jù)。addr將使a0拉低，reg被鎖存；然后，通過復用總線讀取被鎖存的地址reg所指空間數(shù)æ“š(jù)。
4.4 can通訊應用程序設計
    (1) can數(shù)æ“š(jù)報文格式。風電機組控制系統(tÇ’ng)中，各控制模塊之間需要傳輸?shù)男盘柡芏?，包括模擬量、數(shù)字量以及控制指令和控制參數(shù)ç­‰。模擬量包括風速風向，電壓電流，功率，電網(wÇŽng)頻率，各類轉速和溫度等，數(shù)字量包括機組的各類狀態(tài)信息，如并網(wÇŽng)狀態(tài)，電源狀態(tài)等及各類故障信息。這些信號均根據(jù)can協(xié)議封裝為報文，以數(shù)æ“š(jù)包的形式發(fā)送。每個報文可由一個或一組信號組成。各個報文需要定義其幀格式，包括數(shù)æ“š(jù)id，優(yōu)先級，數(shù)æ“š(jù)長度等。每個模擬量均定義為兩個字節(jié)長度，數(shù)字量則占1位。為了提高傳輸效率，多個數(shù)字量組合為一個報文來發(fā)送。
    系統(tÇ’ng)中can通訊協(xié)議采用擴展幀格式，29位id定義見圖6。

圖6  can通訊協(xié)議擴展幀id

      其中，命令碼是來自不同模塊的報文的代號，占id的高12位，范圍為0x000-0x0FFf，包含同一組信號的報文具有唯一的命令碼。源地址和目標地址取決于控制器地址，主控制器為0x01，網(wÇŽng)側變流控制器為0x02，電機側變流控制器為0x03，變槳偏航控制器為0x04。id的低9位分別為后續(xù)幀標志和后續(xù)幀幀數(shù)，若后續(xù)幀標志為1，則表示該報文還有后續(xù)幀需要傳輸。
    (2) 基于qt/e的圖形界面應用程序設計。本系統(tÇ’ng)中主控制器圖形界面應用程序基于linux平臺的qt/e實現(xiàn)。圖形界面應用程序主要功能有兩個：一是從can 總線接收風電機組運行狀態(tài)信息，并顯示給用戶，二是判斷并處理機組狀態(tài)信息，通過can接口向各子控制模塊發(fā)送控制信息。由于本系統(tÇ’ng)中can以多主方式工作，接收來自多個節(jié)點的數(shù)æ“š(jù)，并向多個節(jié)點發(fā)送數(shù)æ“š(jù)，因此，在應用程序中要封裝不同的報文，還要分析收到數(shù)æ“š(jù)的信息。
      為了提高系統(tÇ’ng)的響應，應用程序采用多線程機制，本系統(tÇ’ng)中設計三個獨立線程來處理不同的任務。主線程負責主界面實時數(shù)æ“š(jù)顯示，歷史數(shù)æ“š(jù)查詢以及機組狀態(tài)的邏輯判斷和流程控制等。由于數(shù)æ“š(jù)庫的讀寫是對磁盤文件的直接操作，速度較慢，因此在一獨立線程中實現(xiàn)歷史數(shù)æ“š(jù)的寫操作，以防止對主線程控制程序的影響，而對于歷史數(shù)æ“š(jù)的查詢，現(xiàn)場只在特定情況下用到，仍在主線程中實現(xiàn)。can總線數(shù)æ“š(jù)的交互比較頻繁，為了避免數(shù)æ“š(jù)的丟失，在一獨立線程中完成數(shù)æ“š(jù)的接收。
5  結束語
      目前，風力發(fā)電控制技術主要掌握在國外大企業(yè)手中，國內(nèi)機組的控制器主要依靠技術進口，因此，研究并設計有自主產(chÇŽn)權的機組控制系統(tÇ’ng)有著深遠的意義。

參考文獻
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