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奧地利貝加萊伺服電機(jī)8LSA46.R2022D100-3

貝加萊EnMon對一個企業(yè)的監(jiān)測安裝范圍包括總廠供電/供熱/供氣/供水用量（無論是地下水還是城市管網(wǎng)供水）數(shù)據(jù)采集,，供水水壓，水溫等實時數(shù)據(jù)采集,，各個分廠供電/供熱/供氣/供水用量數(shù)據(jù)采集,，其它相關(guān)獨(dú)立核算部門數(shù)據(jù)采集等，能源消耗量能綜合比對分析（如圖6所示）,。此外,，EnMon還著重于對能源介質(zhì)品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，而zui終的目標(biāo)是能效利用率zui大化,。

CAN總線是目前世界上應(yīng)用zui廣泛的現(xiàn)場總線之一,，在我國得到越來越多的應(yīng)用。多電機(jī)消隙控制模式常用于大型雷達(dá)天線控制系統(tǒng),，主要用以消除其轉(zhuǎn)臺的齒輪間隙,。本文以基于CAN總線和PCC的高精度多電機(jī)消隙天線控制系統(tǒng)為背景，著重描述了該系統(tǒng)的控制原理和軟,、硬件設(shè)計,。
關(guān)鍵詞CAN總線；多電機(jī)齒輪消隙,；天線控制系統(tǒng)

在高精度天線控制系統(tǒng)中（如跟蹤衛(wèi)星通信天線）,，精密跟蹤和方位控制對天線的傳動系統(tǒng)精度提出了*的要求。但是由于存在機(jī)械加工誤差,、機(jī)械磨損和傳動齒輪之間存在一定的間隙,，既影響天線控制系統(tǒng)的跟蹤精度，又影響天線控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。因此必須消除傳動齒輪之間的間隙,，提高傳動精度,。
為解決這一問題，人們想了很多方法,。傳統(tǒng)的方法是對機(jī)械的傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),。但從已知的消除齒輪間隙的方法看，它們總存在這樣或那樣的不足,，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、尺寸大、承載能力差等,。因此在高精度天線控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)的消隙方法無法使用,。本控制系統(tǒng)采用多電機(jī)來消除傳動機(jī)構(gòu)中的齒輪間隙，從而提高傳動精度,。
基于以上分析,，該系統(tǒng)采用基于可編程計算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，簡稱PCC）和CAN總線的控制系統(tǒng),。多電機(jī)消隙天線控制系統(tǒng)在天線控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍,，特別是對于大型雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)臺的消隙就更為常見。該案例采用目前流行的CAN總線技術(shù)和PCC等工控產(chǎn)品,，為實現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺的消隙,、方位、俯仰等控制功能,，提供了多電機(jī)控制的全套解決方案,。該方案具有以下特點(diǎn)
（1）采用CAN總線對四臺直流調(diào)速器進(jìn)行組網(wǎng)，不僅實現(xiàn)了全數(shù)字控制,，而且結(jié)構(gòu)簡單,，數(shù)據(jù)通信簡便，可靠性高,。
（2）數(shù)字速度調(diào)節(jié)器具有力矩均衡分配和環(huán)路控制功能,。
（3）實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的方位、俯仰雙向轉(zhuǎn)動均衡式消隙,。
（4）高效精確的控制算法,，可以實現(xiàn)天線控制系統(tǒng)精確定位、目標(biāo)跟蹤,、俯仰,、環(huán)掃、扇掃,。
（5）實現(xiàn)三電機(jī),、雙電機(jī)或單電機(jī)的運(yùn)行（降功率）。

CAN，全稱為“Controller  Area  Network",，即控制器局域網(wǎng),，是上應(yīng)用zui廣泛的總線之一。它是一種在自動化領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的多線路協(xié)議和有效地支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),。CAN的應(yīng)用范圍遍及汽車,、機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備,、建筑環(huán)境以及工業(yè)自動化行業(yè)的其它很多領(lǐng)域,。
CAN總線之所以能得到如此廣泛的應(yīng)用，其主要原因如下
（1）強(qiáng)有力的錯誤檢測能力及差分驅(qū)動功能,。
（2）在十分苛刻的環(huán)境中仍運(yùn)行良好,。
（3）在傳輸介質(zhì)和線路設(shè)計方面，CAN總線也十分靈活,。
CAN總線具有下列主要特性
（1）低成本,。
（2）*的總線利用率。
（3）相當(dāng)長的傳輸距離（長達(dá)10km）,。
（4）高速數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1Mbit/S）,。
（5）可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制。
(6) 發(fā)送期間若由于出錯而遭破壞的信息可自動重發(fā)送,。
（7）節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯誤的情況下具有自動退出總線的功能。

多電機(jī)消隙天線控制系統(tǒng)采用貝加萊公司的可編程自動化控制器（PCC）為主控制器,，并采用其Automation Studio集成軟件平臺所包含的高級語言BASIC編制硬件驅(qū)動程序和速度PID算法,，通過CAN總線通信實現(xiàn)對四臺直流控制器的組網(wǎng)控制，從而實現(xiàn)對四臺轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電動機(jī)的協(xié)調(diào)控制,，共同驅(qū)動一個轉(zhuǎn)臺,。實現(xiàn)力矩的分擔(dān)和傳動間隙的消除，從而提高系統(tǒng)跟蹤精度

天線控制單元（即操作人機(jī)界面HMI,，采用B&R的PP320觸摸屏）通過內(nèi)部IMA與多電機(jī)控制器（PCC的中央處理器模塊CP476）之間進(jìn)行通信,，實現(xiàn)速度指令、狀態(tài)控制和狀態(tài)信息等遠(yuǎn)控操作,。四臺直流驅(qū)動器通過CAN總線組網(wǎng)控制,，通過SSI讀取轉(zhuǎn)臺的位置信號；天線控制系統(tǒng)的控保電路的信號采集等都是由多電機(jī)控制器（CP476）通過其I/O點(diǎn)（DM465數(shù)字量I/O模塊）實現(xiàn)的,。這種方案不僅實現(xiàn)了全數(shù)字控制,，而且結(jié)構(gòu)簡單、接口清晰,、可靠性高,。可以看出多電機(jī)控制器（CP476）和CAN總線的應(yīng)用是關(guān)鍵所在。

對于四臺電動機(jī)協(xié)調(diào)控制一個轉(zhuǎn)臺來說,，要實現(xiàn)齒輪消隙,，其中兩臺要作為速度控制模式工作，作為消隙驅(qū)動的主電動機(jī),，提供與天線轉(zhuǎn)動方向*的主動驅(qū)動力矩,。另外兩臺要作為力矩控制模式工作，作為消隙驅(qū)動的從動電機(jī),，為消隙機(jī)構(gòu)的齒圈提供向后的嚙合“張緊力",。
天線控制單元HMI（PP320）通過串行接口RS-232將速度指令發(fā)送給多電機(jī)控制器（CP476），多電機(jī)控制器（CP476）通過CAN總線分別對四臺直流調(diào)速器（歐陸）實現(xiàn)速度控制和力矩控制的切換,，以實現(xiàn)對天線轉(zhuǎn)臺的無間隙傳動,。

貝加萊ACOPOS 伺服驅(qū)動
8V1010.50-2
8V1016.50-2
8V1010.00-2
8V1016.00-2
8V1022.00-2
8V1045.00-2
8V1090.00-2
8V1180.00-2
8V1320.00-2
8V1640.00-2
8V128M.00-2

8LSA45.E1022D600-3

8LSA44.EB030C100-3

8LSC46.DA060S205-3

8LSA46.EB030D300-3

8LSA46.EB030D100-3 

5W5C0000011107-000 

8V1016.50-2

8LSA35.DB060D000-3

8LSA76.R2022D100-3

8GP40-080--008S2L3

8BVI0028HCDS.000-1

X20CP3684

X20IF2792

X20CA0E61.01500

5Y20E0400002D0-000

X20CP0410  

X20PS9600

5W5C000001A008-000

8V1090.00-2

8LSA44.EB030C300-3

8LSC44.EB030D105-3

X20CA0E61.00800(8米)

5APC2100.BY34-000

8BVI0055HCDS.000-1 

8LSA35.R0030D200-0

X90CA100.02-00

X67BC81RT.L12  

8LSA25.D9060S000-3

5CFAST.256G-10

8I0IF108.400-1

5AP933.156B-00

X20AI1744-3  

8GP55-LSA44-00027

8B0M0230HC00.000-1

8EI4X5HWD10.0700-1

8LSA36.R2030D200-3

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8LSC66.D0045D005-3

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8EI4X5HWD10.0500-1

8LSA46.R2022D100-3

8LSA46.DA060S200-3 

8LSC76.DB015D105-3

8LSC76.DB015D305-3

5W5C0000011107-000

在嵌入式系統(tǒng)中，低功耗設(shè)計是在產(chǎn)品規(guī)劃以及設(shè)計過程中必須要面對的問題,。半導(dǎo)體芯片每18個月性能翻倍,。但同時，電池的技術(shù)卻跟不上半導(dǎo)體的步伐,，同體積的電池10年容量才能翻一倍,。嵌入式系統(tǒng)對于使用時間以及待機(jī)時間的要求也越來越高，這就需要在設(shè)計產(chǎn)品的時候充分考慮到整個系統(tǒng)的低功耗設(shè)計,。功耗控制是一個系統(tǒng)的工程,，需要從低功耗的器件選型、硬件的低功耗設(shè)計與制造技術(shù),、軟件的低功耗優(yōu)化等多個方面來統(tǒng)籌考慮,。上海韋米總結(jié)從以上多個角度來闡述嵌入式系統(tǒng)中低功耗設(shè)計要點(diǎn)。
隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展,，半導(dǎo)體的制造工藝也在不斷進(jìn)步,，選用*工藝以及低功耗設(shè)計的元器件可以從源頭上降低整個系統(tǒng)的功耗。主控芯片的選型要充分考慮到系統(tǒng)的使用場景,，對于那些運(yùn)算任務(wù)比較多的應(yīng)用場景下,，可以選用能耗比高的芯片來設(shè)計，比如像ambiq的Apollo系列芯片,，該芯片采用具有SPOT技術(shù),，芯片在亞閾值穩(wěn)定運(yùn)行，可減少能源消耗近13倍,，實現(xiàn)低功耗技術(shù),。
對于嵌入式系統(tǒng)，電源芯片對于低功耗設(shè)計是一個很重要的器件,。電源芯片自身的功耗以及轉(zhuǎn)換效率在很大程度影響電池的使用時間,。進(jìn)行低功耗的穩(wěn)壓電路設(shè)計，需采用低功耗的LDO或者DCDC芯片，如TI的TPS797系列,，自身功耗僅1．2uA,。
在滿足功能需求的情況下，盡量選用帶觸發(fā)輸出功能外部器件而非需要輪詢的外部器件,，這樣可以減少M(fèi)CU的運(yùn)行時間,，平時MCU可以一直處于睡眠狀態(tài)下，在滿足觸發(fā)條件時有外部器件通過中斷喚醒MCU工作,。硬件設(shè)計對于嵌入式系統(tǒng)的功耗也有著至關(guān)重要的因素,。

對外圍元器件的電源控制，采用帶關(guān)斷功能的器件,，對于那些進(jìn)入低功耗模式下不需要工作的外設(shè),，可以使用MOS管電路配合MCU控制對局部的電路進(jìn)行電源管理。在該設(shè)備不需要工作時,，盡量關(guān)斷該部分電源,，以達(dá)到更低的功耗。

多級電壓設(shè)計,，電壓和功耗有著密切的聯(lián)系,。因此功耗的降低可以考慮對于不同的電路模塊，使用不同的電壓等級,，可以采用DVFS動態(tài)電壓頻率技術(shù),，通過將不同電路模塊的工作電壓及工作頻率降低到恰好滿足系統(tǒng)低要求，來實時降低系統(tǒng)中不同電路模塊功耗的方法,。硬件設(shè)計對于MCU的每個IO口都要避免IO口漏電流,。當(dāng)外設(shè)掉電時，IO口仍然會有潛在的電源輸出,，所以IO口需要默認(rèn)配置成低電平或者高電平狀態(tài)，避免漏電流,。

軟件對功耗的優(yōu)化涉及到多個層次和方面,。適當(dāng)?shù)慕档虲PU的運(yùn)行頻率，降低MCU的運(yùn)行速度,，可以有效的降低運(yùn)行時需要消耗的電流,，芯片的功耗和主頻是線性的關(guān)系，更高的時鐘頻率意味著更快的MCU運(yùn)行速度,，那么MCU內(nèi)部CMOS電路就更快的開關(guān)頻率,，導(dǎo)致更高的運(yùn)行電流和待機(jī)電流。

合理的使用MCU的待機(jī)模式,，在當(dāng)前沒有任務(wù)需要處理時,，將MCU進(jìn)入到低功耗的睡眠模式。對于使用嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品，一般都是在idle空閑任務(wù)中進(jìn)入睡眠模式,，但是為了進(jìn)一步降低功耗,，實現(xiàn)低功耗設(shè)計，我們還不能直接把睡眠或者停機(jī)模式直接放在空閑任務(wù)就可以了,，需要設(shè)計一種更*的休眠機(jī)制,，比如在freertos操作系統(tǒng)中使用tickless 低功耗機(jī)制，進(jìn)入空閑任務(wù)后,，首先要計算可以執(zhí)行低功耗的大時間,，也就是求出下一個要執(zhí)行的高優(yōu)先級任務(wù)還剩多少時間。然后就是把低功耗的喚醒時間設(shè)置為這個求出的時間,，到時間后系統(tǒng)會從低功耗模式被喚醒,，繼續(xù)執(zhí)行多任務(wù)。

關(guān)注每一個GPIO口電平狀態(tài),，在進(jìn)入睡眠之前配置所有的GPIO口到高電平或者低電平以降低漏電流,。對于外掛的傳感器以及外圍設(shè)備，也需要在進(jìn)入睡眠之前配置其功耗模式以降低消耗的電流,。

合理關(guān)閉MCU內(nèi)部模塊,，對于在Deep Sleep模式下不需要工作的內(nèi)部模塊都要關(guān)閉時鐘以及電源以節(jié)省功耗，同時要重點(diǎn)關(guān)注模擬IO口,，模擬功能一般是耗電大戶,，在AD／DA功能不使用的時候盡快關(guān)閉，減小使用模擬功能的時間,。此外,，芯片內(nèi)部SRAM由于需要不停的刷新，在睡眠模式下也需要消耗一定的電流,，可以配置部分SRAM在睡眠模式下保持刷新降低功耗,。

對于包含有無線功能的芯片，配置合理的待機(jī)參數(shù)以降低功耗,。如比對于BLE芯片CSR1010,，在進(jìn)行BLE的廣播模式下，60ms的廣播間隔的待機(jī)電流時394A,，如果將廣播時間增大到1．28S,，則待機(jī)電流降低到28A。對于wifi芯片,，比如高通QCA4004芯片,，在DTIM1情況下對應(yīng)功耗是1．5mA，在DTIM10情況下則降低到334A,。

嵌入式系統(tǒng)低功耗需要綜合考慮各種可能的因素,、條件和狀態(tài),，需要對各種細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真的斟酌和分析，需要對各種可能的方案和方法進(jìn)行計算和分析,，盡大的努力優(yōu)化整個系統(tǒng)的功耗,，達(dá)到節(jié)省電能的目的。