关键词：串行通信; RS-485; 变频器

Abstract:RS-485 serial communication ensure the transmission data quickly, steadily and further, which has been used to the industry control more and more.This paper introduce the hardware performance,communication protocol and software implementation of serial communication between SANKEN inverter and PC based on RS-485. Experiment display the software performance is steadily and real effect is good.

Keywords:serial communication;RS-485;inverter

1引言

　　目前，在我国现场控制总线中，RS-485使用最为普遍。RS-485 总线的共模输出电压在-7V 至+12V 之间，具有抑制共模干扰的能力，数据传输速率最大为10Mbit/s，当波特率为1200bps 时最大的传输距离理论上可达15 千米。RS-485网络所具有的设备简单、容易实现、传输距离远、维护方便等优点而被许多变频器厂家所采用。文章分析了工业环境中串行通信选择RS-485的原因，论述了基于RS-485 三垦变频器与PC机串行通信的硬件特性，通信协议及软件实现，实验表明该通信软件稳定可靠，能直观的观看变频器的实际运行状态，并能比较方便的进行多组参数的设定和改写。通过此软件，极大的方便了工程师和客户对变频器的操控和掌握。

2 RS-232与RS-485的比较

　　常用的串行通信有两种，一种为RS-232串行通信，一种为RS-485串行通信。由于串行通信使用方式简便易用，工业控制领域大多都使用串行通信作为其数据交换的手段。但是工业设备的使用环境经常比较恶劣，可能会存在噪声或者电源谐波的干扰，RS-232在如此环境下抗干扰的能力远不及RS-485，除此之外,RS-232只能是一对一控制，而RS-485则可以实现一对多控制;RS-232一般是9针公头，而RS-485则是两根线就可以控制。因此工业环境下的串行通信大多都采取RS-485串行通信方式。

3 三垦变频器与PC的串行通信

　　3.1 软硬件环境

　　硬件配置：PC（配备标准RS-232）一台、RS-232/RS-485转换卡一个、ISI通信卡一块、Inverter 三台（三垦变频器ES-0.4KW、SPF-11KW、IPF-90KW）。

　　软件包括：Windows XP操作系统、Microsoft Visual Basic 6.0中文版、三垦变频器通信协议指导手册等。

　　3.2 通信协议

　　三垦各个系列变频器所提供的通信协议格式如下：

　　1、 指令格式：指令格式如图1所示，各字段含义如表1。

　　2、指令的详细解释

　　图1显示了指令的格式，共25条指令，由操作码（OP）决定，分别由A-Q及R、S、x、y、z、a、b、c组成。以指令C和N说明指令的详细构成，如表2。

　　表1 指令各字段含义

　　3、变频器所进行的通信错误处理

　　变频器如果从上位机接收到的指令中检查出错误，将进行以下处理：

　　① 在奇偶错误、校验和错误或指令代码未定义时：

　　回传的错误指令为指令代码“?”。同时，DT项回传一个字节的通信错误代码。

　　② 在DT项的数据过长或不足，不能解释数据内容时：

　　如果接收指令的各个指令所定义的数据过长或不足、或者接收指令无法解释时，其错误处理同①。

　　③ 超时处理：

　　接收开始代码后，如果不能在150ms 以内接收全部指令将进行超时处理，强制完成接收状态。这时变频器将返回通信错误代码“d”。

　　④ 通信错误代码分别为：“p”代表奇偶错误;“s”代表检验和错误;“u”代表未定义操作代码;“d”代表数据过长、数据不足或者数据无法解释。

　　⑤ 其它错误

　　有关接收计算机指令的错误，在上述情况以外，将进行超时处理，对计算机而言为“无应答”。

　　4、变频器和计算机的指令发送接收方法

　　串行通信的基本程序是一台计算机将指令发送给一台变频器，之后变频器回传应答给计算机。所以，变频器在接收到了计算机发送出的指令后必须回传应答。如果计算机在没有得到应答时，仍连续发送多条指令则无法确保正常的工作。

　　由于变频器异常或者通信线路异常，计算机可能无法接收到变频器的应答。为了避免由于等待变频器的应答而造成的通信程序锁定，计算机将按照所设定的2 秒或更长以上的时间来执行接收超时处理。

　　表2 指令详细内容举例

　　3.3 串行通信的程序实现

　　由于篇幅所限，这里仅介绍通信部分的实现代码，主要包括：通信端口的定义，通信速率的设定，通信发送、通信接受、通信错误处理以及退出等。

　　主要代码如下：

　　…

　　MSComm1.CommPort=1 ‘选择1号通信端口

　　MSComm1.Settings="4800,o,8,1" ‘设定为4800bps,奇数、数据8位、停止1位

　　MSComm1.RThreshold=1 ‘Commm Evert 发生当接收到一个字符时

　　MSComm1.InputLen=0 ‘输入缓冲数据清零?

　　MSComm1.PortOpen=True ‘通信端口打开?

　　Timer1.Interval=1000 ‘接收超时时间（ms）1秒

　　Tx=“＊01C”? ‘设定向变频器传送的数据

　　TxLen=Len（ Tx ） ‘ 得到传送数据长度（校验和与停止位除外）

　　Sum=0

　　For i=1 To TxLen

　　Sum=Sum+Asc（Mid（Tx, i, 1））

　　Next i

　　Sum=（（0-Sum）And 127） Or 64

　　Tx=Tx+Chr（Sum）+vbCrLf ‘在传送代码上添加校验和与停止位（CR+LF）

　　Timer1.Enabled=True ‘ 启动接收超时检出计数器

　　MSComm1.Output=Tx ‘向变频器传送数据

　　End Sub

　　Private Sub MSComm1_OnComm（） ‘[通过Comm事件接收数据]

　　Dim Rx As String, RxLen As Integer,Sum As Integer

　　Dim Msg As String

　　If MSComm1.CommEvent<>comEvReceive Then Exit Sub ‘确认接收的数据是Comm事件

　　Do

　　Rx=Rx+MSComm1.Input ‘接收变频器的数据

　　DoEvents

　　Loop Until Right（Rx,2）=（Chr（13）& Chr（10）） ‘找到停止位

　　Timer1.Enabled=False ‘取消超时定时器

　　RxLen=Len（Rx）-2 ‘接收数据字长（停止位除外）

　　Sum=0 ‘接收到的校验和的计算

　　For i=1 To RxLen-1

　　Sum=Sum+Asc（Mid（Rx , i,1））

　　Next i

　　Sum=（（0-Sum）And 127）Or 64

　　If Mid（Rx, RxLen, 1）=Chr（Sum） Then ‘校验和的检查

　　Msg=Left（Rx, RxLen） ‘ 接收数据（包括校验和，不包括停止位）

　　Else

　　Msg=“Check Sum NG”? ‘校验和错误显示

　　End If

　　MsgBox “Received Data=” & Msg ‘显示接收数据

　　MSComm1.PortOpen=False ‘[ 关闭通信端口]

　　End Sub

　　‘ 在变频器的输出频率为2 0 H z 时，运行该程序，在信息框中将显示“＊01C02000@”

4 结论

　　文章首先对RS-232与RS-485进行了比较，然后介绍了基于RS-485三垦变频器与上位机串行通信的实现，实验表明：利用VB编制的人机界面操作简便，取得了良好的实用效果。利用RS-485协议进行串行通信，可以保证快速、稳定远距离地传输数据。在目前以及以后的工业控制和其他方面必将得到越来越多的应用。

    由于计算机控制单元越来越多，采用单网络CAN总线负荷越来越重，通过以DSP作为系统主控制器并兼作网关（对CAN总线间待传数据信息作智能化处理，确保只有某类特定的信息才能在网络间传输），对实时性要求较高的控制单元采用高速CAN网络传输，对实时性要求相对较低的控制单元采用低速CAN网络传输，不仅可以提高系统抗电磁干扰性，而且还可以简化传输线束，提高传输可靠性。

1. 基于DSP的汽车计算机控制系统

1.1 TMS320LF2407A功能简介

    选用TI公司的16位定点DSP TMS320LF2407A作为主控制器并兼作网关。该型DSP系统时钟可达40M，运算速度为40MIPS, 片内有高达32K字FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM以及2K字的SARAM和544字的DARAM，内嵌16通道10位的A/D转换器、SPI/SCI/CAN2.0B模块以及看门狗定时器模块，资源丰富，接口方便，特别适合于象汽车计算机控制等实时性和可靠性要求很高、电磁干扰严重的场合。

1.2 系统实现

    汽车计算机控制系统已经广泛涉及到动力、安全、环保、节能、舒适等诸多方面，各种控制系统的电控单元（ECU）相互紧密联系，需要进行大量数据的实时通信，而且为了满足各子系统的实时性要求必须对汽车公共数据进行共享。因此在构建CAN总线控制系统中，总是希望CAN通信控制网络具有较高的波特率和可靠性。但若整辆汽车的所有节点都挂在一个CAN网络上，众多节点通过一条CAN总线进行数据通信，就很容易出现总线负载过大，导致系统实时响应速率下降。因而在对汽车各节点的实时性进行分析后，设计了基于TMS320LF2407A的高低速CAN通信网络，将实时性要求较高的节点组成高速CAN通信网络，将实时性要求相对较低的节点组成低速CAN通信网络，并架设网关将这两种速率不同的CAN通信网络连接起来，实现全部节点之间的数据共享。整辆汽车的通信网络拓扑结构如图1所示。

    图1中的发动机控制、变速箱控制、ABS/ASR/ESP控制和SRS控制是现代汽车动作的核心部件，对时间响应要求严格，因而在本设计中采用传输速率为500Kbps的高速CAN通信网络；空调管理、仪表管理、照明管理和姿态管理（如玻璃升降、后视镜调节、天窗控制、座椅调节和雨刷管理等）的实时性要求相对较低，采用速率为125Kbps的低速CAN 通信网络，主控制器跨接高、低速两条总线，与各节点进行数据交换，兼起网关的作用。

1.3 控制系统的电控单元与CAN总线接口设计

    根据系统设计要求，采用TMS320LF2407A作为主控制器，汽车计算机控制系统的电控单元与CAN总线连接方式如图2所示。

    通过TMS320LF2407A内嵌的CAN控制器可以很方便的实现物理层和数据链路层的功能。CANH和CANL是CAN总线的两条差分接收/发送复用线路，它们的端点各接一个Ω120的总线匹配电阻。当有节点占有CAN总线时，该节点的发送端（电平为3.5V）接CANH，接收端（电平为1.5V）接CANL；当无节点占有CAN总线时，CANH和CANL上的电平均为2.5V。在TMS320LF2407A和总线收发器PCA82C250之间采用高速光电隔离器6N137，可有效防止干扰信号通过PCA82C250传入主控制器；同时对整个系统还进行了金属屏蔽，传输线采用屏蔽双绞线，以减少电磁干扰。

2. 硬件接口电路设计

    CAN通信网络接口由TMS320LF2407A的CAN控制器、CAN总线收发器PCA82C250以及光电隔离器6N137组成。CAN节点通信接口的硬件设计电路如图3所示。为了便于调试和演示，节点模块都包括CAN接口、RS232接口和液晶显示器。在调试过程中，液晶显示器用来将本地数据和通过CAN总线接收的数据直观地显示出来，RS232接口在需要的情况下可用来与PC机建立通信。总线数据信号通过高速光电隔离器6N137隔离，PCA82C250是CAN控制器和物理层之间的接口，可以提供对总线数据的差分接收和发送能力，具有在汽车环境下抗瞬间干扰、保护总线的能力。

3. 软件设计

    本系统软件由系统主程序和高低速CAN网络单元软件组成，软件流程如图4和5所示。

    高速CAN通信网络负责对实时性要求较高的控制单元动作的采集、处理和传送，一旦系统检测到有动作信号，将开放中断，调用相应的中断子程序，经DSP处理后通过高速CAN网络传送到相应控制单元的ECU，由控制单元ECU对控制对象进行控制。如果没有检测到高速CAN网络忙，就检测低速CAN网络，在没有高速CAN网络中断的前提下调用相应的子程序响应相应的动作。低速CAN网络单元软件流程与低速CAN网络单元类似，主要区别是低速CAN网络单元采用查询方式，数据广播用于实现控制系统中的数据共享。

4. 结论

    CAN 总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线已在许多先进汽车上得到应用,使得各汽车计算机控制单元能够通过CAN 总线共享所有信息和资源,达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。本设计采用了数字信号处理器TMS320LF2407A 作主控制器兼作网关, 可在不同节点间实现高效数据传输，提高了系统的实时性和可靠性，采用高低速CAN总线网络通信控制方式，可以较大提高总线的利用率和系统的响应速度，基本达到预期的目标。

图1. NI PXI-5922多分辨率数字转换器的频率-分辨率曲线上的关键点

    技术的融合使汽车制造商们能够满足用户的期望，并能立足于竞争激烈的市场。但这给研发人员和测试工程师都带来极大的压力，因为他们需要测试更多的功能，还要尽量缩短测试时间，满足上市时间要求。 

    让我们从汽车制造商的角度来看。先考虑一下设计和开发信息处理系统所需的成本。几年前，设计师可能只需要一套传统的盒装仪器就能设计和测试卡带机中的有限功能了。然而，为了迎接今天的挑战，设计人员必须购买新的仪器才能完成远程信息处理系统中新功能的测试。随着测试系统的不断膨胀，不仅空间开始不够用，支出也超出预算。如果能用一个集成的测试系统代替所有这些昂贵且种类各异的仪器，并能根据具体应用定义功能，还能提供未来扩展空间那该有多好？ 

    如今，虚拟仪器已经成为克服这些挑战的首选测试解决方案。它结合了快速开发软件和高度灵活的模块化硬件来创建用户定义的测试系统。虚拟仪器能够提供：用于快速测试开发的直观软件工具；基于创新商用技术的快速、精确的模块化I/O；提供高精确度和高吞吐量并具有一体化同步功能的PC平台。 

快速的测试开发软件

    随着自动化逐渐成为快速测试复杂产品的基本要求，软件已成为从设计验证到高度自动化制造测试等所有测试系统中的基本组成部分。为了快速提供能够测试新功能的测试系统，需要一套集成的测试开发工具。这些工具包括测试管理、测试开发和I/O驱动器。 

图2. 在高达15MS/s采样速率条件下与其它数字转换器相比的PX-5922频率-分辨率曲线

基于PC的测试平台 

    所有现代的测试系统都包含有PC。PC已经不仅是测试系统的一部分，而且正逐渐成为重要的集成平台：测试系统中心。千兆赫处理器、高速总线、软件的广泛可用性、不断提高的性能和特别低的价格使得PC已经成为理想的测试平台。如果考察一下过去20年来PC的性能演变，测试系统中具有同样量级性能提升的部分只有被测设备本身了。

用于动态测试的通用仪器

    假设你正在测试车载信息处理系统中的音频和无线功能，执行音频和无线测试所需的仪器是音频分析仪、射频下变频器和中频数字转换器。你可以选择3个PXI或PCI模块，并用软件定义测试系统。如果一个设备能够用于多种用途显然更有益。

    现在可以使用用于动态测量的通用仪器来实现这一目的。美国国家仪器（NI）公司的PXI-5922多分辨率数字转换器就是这样一种将多个仪器功能集成在一个模块中的设备。通过这个数字转换器，用户可以调整采样速率获得不同的分辨率。例如，在15MS/s的采样速率下，模块可以提供16位的分辨率，通过软件将采样速率降低到500kS/s后，同样的模块（对硬件不作任何改动）将提供24位的分辨率。在本例中，PXI-5992通用仪器既可作为24位音频分析仪，也可以作为16位中频数字转换器使用。 

图3. 线性化前后应用于6位Δ-ΣADC的纯正弦波FFT图

    就像DMM将多个DC测量功能整合进一个仪器那样，PXI-5992也通过在一个数字转换器中提供多种仪器功能改进了AC测量功能。使用该数字转换器和LabVIEW8之类的软件就可以创建新的虚拟仪器。与音频分析仪、频谱分析仪、中频和I/Q基带数字转换器、DC和RMS电压表和频率计数器等许多传统仪器相比，采用这种虚拟仪器能够获得更好的测量性能。

创新的Flex II ADC多分辨率技术 

    这种创新的多分辨率技术可以通过NI的 Flex II ADC实现。该模数转换器采用了NI设计的全定制模拟ASIC，是一种增强型的Δ-Σ转换器，利用下面这两种创新技术在宽范围的采样速率下获得了特别高的动态范围：用6位Δ-Σ ADC代替单比特Δ-Σ ADC；拥有专利的数字线性化机制。

    单比特Δ-Σ ADC可以为低频应用提供高分辨和高动态范围。然而，由于采样速度有限，单比特Δ-Σ ADC不适合动态信号频率超过数百KHz的应用场合。而多比特Δ-Σ ADC可以在高频时提供高的动态范围，并且线性化后可以去除多比特Δ-Σ ADC所固有的非线性。 

    图3所示ADC中的非线性如何在频域中表现为谐波。Flex II ADC采用强大的FPGA和线性化专利技术以数字方式消除这些非线性，并在较高采样速率范围内提供较宽的动态范围。动态范围的增加使用户有能力去分析以前会混迹于传统仪器噪声中的信号。

图4. 高端发生器产生非常纯的10kHz正弦波FFT捕获，其噪声水平低至-170dB FS/Hz，
SFDR高达-120dBc

    Flex II ADC是一项伟大的发明，但如果工程师不能在不降低性能的条件下将它集成进数字化仪器，那么它就无法发挥作用。PXI-5922多分辨率数字转换器拥有一流的模块前端，它能充分利用高性能的Flex II ADC功能，释放数字转换器的有效资源，从而提供强大的性能。这种数字转换器可以提供市场上最高的分辨率和最大的动态范围。因此，它不仅可以当作通用仪器使用，而且与它可代替的各种单独仪器相比还能提供更高的动态性能。图4显示出高端发生器产生的非常纯的10kHz正弦波FFT捕获。PXI-5922噪声密度可低至-170dB FS/Hz，本例中的SFDR可高达-120dBc。

    近年国内外常用的电磁流量计在线检验方法 

大口径电磁流量仪在线校验方法 

    上世纪90年代，上海水务系统开始摸索在线检查和验证，他们用专用的模拟信号器检测转换器，传感器检查则以测试电极接液电阻，检查励磁线圈包括励磁连接电缆的绝缘电阻和铜电阻，以及检查转换器输出的励磁电流，核对磁场强度等间接方法。在有停流条件的管线，从预设在传感器附近入孔进入，检查电极和衬里污秽、沉积状况并清洗。上海自来水公司和原水公司在电磁流量计制造厂配合下，探索并积累了300余台大口径电磁流量计检查经验，并于1997～1998年间起草了《大口径电磁流量仪在线校验方法》，在上海市公用事业管理局所属企业试行。现在上海水务局正在此文件的基础上制订《电磁流量仪在线校验规范》地方行业性标准。同样的概念在一些文献中也提及到，如东京都水道局和日本三菱化学工业的电磁流量计现场检验方法。 

在线电磁校验仪GS9 

    电磁流量计在欧洲的使用数量最多，其在线检验技术也最成熟，一些主要的电磁流量计制造商基于上述方法还开发出了专用的电磁流量计在线检测仪器，如KROHNE的GS9在线电磁流量计校验仪。该仪器作为一套全面检测电磁流量计传感器和转换器的校验仪，其检测的内容包含了电极信号、模拟流量输出的测量、现场励磁电流的测量、电流和频率输出的测量、线圈和电极电阻等，并对数据加以记录，还可传送到PC机。 

检验过程 

    GS9的使用方法十分简单，只要根据电缆的标识和流量计进行连接（即插即用），然后启动自动校验，数据会存储在内部的存储器中 （70 台仪表），随后可将数据传送到计算机上进行处理。检验仪自动载入仪表的 GK、量程、口径、励磁电流、电流和频率输出的设置，并开始对励磁电流进行测量、检测线圈和电极电阻 （短路或者开路）、检验两测量电极信号和对转换器电流、频率输出检验。对转换器的不同部件件给出“Pass” 或 “fail” 诊断并存储整个校验的过程。整个过程校验均经自动控制通过RS232 通讯口将校验数据上传到计算机。 

溯源性 

    GS9 直接可以溯源到KROHNE的最高端的校验仪（GS100）和 （荷兰计量测试研究院NMI），传感器校验的不确定度 0.03%，GS 9的测量不确定度 0.09%。在现场或仪表室通过RS232将GS9和PC相连，完成 上述在线检验或专用诊断仪器的方法虽然不用将管线流量停流后再对流量计进行检测，但仍需要外界检测设备的帮助才能完成整个检验过程。因此开发自带诊断和检验功能的流量计是当前流量计研发的趋势。 

一种具有自诊断功能的电磁流量计IFC300 

    IFC300是基于上述原因而开发出的一种能自行检验的电磁流量计。在IFC300中集成了上面所介绍的在线校验仪的所有功能。当使用者需要对流量计进行检定的时候，只要通过HART或总线接口即可将检验结果从计算机上打印出来。这种新型的电磁流量计是按照VDI-NAMUR-WIB 2650导则的要求进行设计的最新型电磁流量计。这一型号的转换器和常规的电磁流量计转换器相比增加了许多在线的诊断功能，如 ： 

＊ 关于流程过程（电导率, 线圈温度, 液体中所含的气体, 流态）； 
＊ 关于应用环境（转换器温度,外部的磁场和安装条件） 。 

在线校验的方法的推广仍需一定的时间和行业任可 

    电磁流量计的在线检验方法从诞生到应用正在日趋成熟，但要在全国各行业推广还需要一段时间。其最大的困难在于电磁流量计作为计量仪表，其在线的检验规范需要得到国家技术监督部门和各相关行业协会对的认可。而上面所谈到的方案、设备要想得到全国范围内的认可，必须要由电磁流量计的制造商、使用者和国家相关部门共同合作才能进行。我们欣喜地看到，在电磁流量计应用较广泛的上海水务系统，行业用户组织联合技术监督和制造商完成了大口径电磁流量计在线检查和验证的行业性法规，并且贯彻实施。我们期盼会有更多的行业和制造商能够加入到这一技术方案中，从而使广大的电磁流量计的使用者做到有章可循。 

1 系统开发环境与模块划分

　　目前国内机械产品的研发正逐步由以AutoCAD为代表的二维绘图软件转向以UG，Pro/E，SolidWorks为代表的三维设计软件。组合机床多轴箱三维CAD系统选择三维设计软件Unigaphics（简称UG）为软件开发平台，采用了UG/OPEN API接口，Visual studio.net编译环境，Windows 2000/XP操作系统，利用UG快速、灵活、方便的三维参数化造型功能，保证系统顺利进行设计。

　　模块是产品、自然物或其混合物中，具有特定功能的基本单元，它具有标准化、系列化、互换性等特点。模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的需求。在进行多轴箱模块化设计时，首先要把多轴箱划分成若干模块，由于多轴箱的具体结构取决于被加工零件的具体要求，如孔的数量、形状、分布位置以及被加工零件的数量等，因此它不属于通用件。但通过对多轴箱的组成零件进行分类，可以实现多轴箱零件的通用化，例如，多轴箱的箱体和前后盖是按轮廓尺寸和外形分类的;主轴按照用途分类，分为钻孔类、镗孔类、攻丝类等;齿轮则按照模数、齿数和孔径分类等，利用这些通用化的零件可以配置成各种不同结构形式的多轴箱。

　　多轴箱的设计首先要采用基于装配的特征建模法建立多轴箱的装配模型，然后在这个模型中对零部件展开设计，多轴箱的设计主要包括多轴箱体的设计和传动系统的设计，而传动系统是由若干主轴、传动轴和齿轮组成的。根据多轴箱的装配层次，将多轴箱设计模块分为3个子模块，如图1所示。多轴箱设计模块在多轴箱总体装配模型的平台上，通过交互界面接受用户输入的设计数据。

2 多轴箱主要模块设计

　　2.1 多轴箱体设计模块

　　多轴箱的通用箱体分为箱体、前、后、侧盖，多轴箱基本尺寸系列标准规定，名义尺寸用相应滑台的滑鞍宽度表示，多轴箱体宽度和高度是根据配套滑台的规格按规定的系列尺寸选择，其结合面上联接螺孔、定位销及其位置与动力箱联系尺寸相适应。

　　多轴箱设计模块包括多轴箱参数化模型，保存多轴箱全部参数的数据库以及主控程序。

　　多轴箱箱体的规格尺寸为宽度和高度，将这两个尺寸设置为装配层控制参数，在设计多轴箱参数化模型的时候，多轴箱箱体、前后、侧盖之间采用UG/WAVE技术保持部件之间的相关性。首先建立多轴箱箱体的模型，然后在设计后盖、前盖和侧盖的时候，引用箱体的边以及螺孔WAVE链接图形，这样在更改箱体参数的时候，其它部件也会相应更新。

　　在设计多轴箱箱体时，要求用户选择多轴箱类型，多轴箱类型分为卧式和立式两种，其区别在于前盖的厚度，然后选择箱体尺寸，在主控程序中，提供了所有多轴箱的箱体尺寸，避免了查表，便于选择标准化多轴箱。将多轴箱的箱体尺寸作为查询条件，在箱体参数数据库中提取所有设计参数，并传递给图形库中的箱体三维模型，模型按照提供的参数更新后，用户选择保存，在需要的时候可以装配到装配件文件中，多轴箱设计流程如图2所示。

　　2.2 齿轮设计模块

　　齿轮设计模块中提供了3种齿轮设计模型，单个齿轮三维设计模型，在设计轴时建立齿轮模型和组合基本传动模型，现以组合基本传动模型为例介绍齿轮设计模块的创建情况。

　　根据传动系统中齿轮间不同的啮合方式，利用系统的交互建模方式，建立起常用的齿轮传动装配模型库。组合机床多轴箱传动系统中共有三种基本传动模型：（1）同排一带一、一带二和一带三;（2）异排一带二;（3）异排一带三。组合机床的传动系统可由上述4种基本传动模型组合而成。

　　基本传动模型模块包括图形库、数据库和主控程序三部分。图形库包括全参数化的齿轮模型，数据库中存放所有传动轴和主轴的坐标，以便计算时调入，主控程序完成坐标计算、数据访问以及模型更新等操作。在进行组合机床设计系统时，首先为每根传动轴和主轴编号，并且将已知轴坐标存放在数据库中;然后选择需要的基本传动模型，经过计算得出未知轴坐标并存放于数据库，最后建立模型。

　　主控程序的主界面如图3所示;程序流程如图4所示

　　现以异排一带二传动模型为例说明其计算过程，异排一带二即在一根传动轴上用两对齿轮分别带动两根已知轴，如图5所示。已知O轴、A轴的坐标以及传动齿轮的齿数和模数，B轴坐标的计算过程如下

　　异排一带二传动计算程序界面如图6所示。

3 结束语

　　本文根据组合机床多轴箱总体方案和设计要求，划分并设计了多轴箱的功能模块，在三维软件UG平台上，利用其强大的三维造型功能和装配功能，建立了多轴箱模块的三维参数化模型。采用三维设计方法取代传统的二维设计方法，使设计过程可视化，设计结果直观明了，有利于提高设计质量。采用模块化设计和三维CAD系统可极大地提高组合机床多轴箱的设计效率，提高产品的质量和寿命，保证产品开发的一次成功。

　　针对传统控制系统过于复杂的缺点,本文提出一种高压变频的分布式控制策略,系统采用“中央控制单元-总线-分布控制单元”的分布式控制。

1 分布式控制的原理

　　设计的高压变频器要求产生的相电压的变化在0～4 320V范围之内,系统使用低压功率器件,采用电压串联叠加的方法实现高压[1],其高压变频系统实现原理如图1所示。图中,24个分布的单元,每个单元均由相同的控制和驱动系统组成。控制单元采用PWM控制方式调节驱动单元的输出电压使之在0～540V之间变化。24个单元分成三相,每相由8个单元串联连接,产生的相电压的变化在0～4 320V范围。三组功率单元星形联相形成分布式控制的拓扑结构,以低压的功率器件实现高压输出。每组叠加出用于电机驱动的一相电压波形,相电压之间的相位差为120°。这样,线电压可以控制在0～7500V,以适应高压电机的控制要求。

　　分布单元驱动电路如图2所示,由三相桥式整流电路和方波逆变器组成。两个方波逆变器的输出电压uao和ubo是脉宽可调的方波,而两桥臂中点a和b之间的电压uab是uao和ubo方波电压的叠加,即uab=uao-ubo。假定uao和ubo之间的相位角之差为180°+Φ,则调节Φ角即可调节输出电压的脉宽,因而使输出电压的基波分量和谐波分量的幅值也发生变化。这样,既改善了输出电压的波形,也达到了调节输出电压的目的。

2 分布式控制系统的设计

　　本文设计的高压变频控制系统结构如图3所示。分布式系统由中央控制单元、CAN总线光纤通信部分和分布单元控制器三部分组成。中央控制单元以CAN总线和分布单元控制器建立通信,建立任务分工,协调控制系统的运行。以分布式控制系统代替传统的集中式的控制系统,解决了集中式控制方式在数据就地采集、处理和独立控制等方面的问题,减少了中央处理单元的负担,而且扩展了系统功能,实现了高压变频器的远程智能化监视和控制,改进了系统的性能,同时也更加符合工业现场的应用;由于CAN总线的通信采用光纤作为介质,中央控制单元及分布式单元通过两根光纤和HUB连接即可完成系统的组装;由于分布单元结构相同,可采用硬件ID软件识别的方法使系统的可替换性和伸缩性增强。
　　

　　2.1中央控制单元

　　基于ARM的嵌入式控制系统为核心的中央控制单元主要包括:I/O模块、A/D数据采集模块、液晶显示模块、GPRS远程通信模块、CAN总线通信模块等外围的功能模块,其结构如图4所示。采用分布式系统的功能划分,并且利用ARM的32位的运算能力设计的中央控制单元所要执行的任务包括:高压变频系统电源控制、人机交互操作、GPRS远程通信实现变频器的异地监护和远程参数设定以及远程运行控制等、电机的调速以及调速系统的运行状态控制。其中,电机的调速控制是系统的核心,保持分布式单元的实时同步、变频控制算法实时运算工作的合理分配是实现调速控制的关键环节。本文通过中央单元的实时校正和总线协议的可靠性保证系统分布单元的同步性,运算任务分配的原则是中央控制单元处理人机交互信息中关于变频调速的整体信息,并将此信息传送给各分布式单元,由各个单元完成PWM算法实现电压叠加和电机控制。任务分配的实现是以稳定高效的总线协议为前提的。
　　

　　2.2 分布式控制单元

　　基于TI公司的DSP芯片TMS320F2407设计的分布式控制单元,充分利用芯片丰富的外设模块。CAN总线模块实现和中央控制单元的通信,接收并反馈控制信息;A/D转换和数字输入输出口的配合使用,实现桥臂电压和模块过流等保护信号的监测和处理;事件模块是分布单元控制的核心,根据中央控制单元发送的电压频率、实时同步信息、误差校正信息,以PWM电压串联的处理方法,计算本控制单元当前时间的PWM电压输出的周期和占空比。每相的8个分布式单元输出的PWM电压串联叠加波形如图5所示。通过调整分布单元的PWM输出波形,可以使叠加波形逼近完美的正弦波,使变频系统实现无谐波的控制。

　　2.3 总线协议设计

　　系统的中央控制单元与各个分布控制单元之间采用CAN总线通信,这是分布式系统的枢纽。由于工业现场的环境比较复杂,存在强电磁干扰,因此,本系统设计了光纤集线器,CAN总线的差分信号用光纤传输,进一步加强了CAN总线的抗干扰能力,保证了系统通信的稳定可靠。

　　为了满足分布系统的强实时性要求,本文设计了优先级动态分配机制和分时发送机制。CAN总线各节点的优先级是由其标志符决定的,标志符的数值越小优先级越高。利用CAN总线的这一特点,设计了优先级动态分配机制,标志符的高5位作为优先级分配位,在数据传输时已经屏蔽不作为接收标志;低6位作为接收标志位,根据单元ID设定。动态优先级的分配方法:系统启动后所有节点优先级设为中间值11100,CAN总线发送后开始动态分配。当本单元发送数据成功时,则降低本单元的优先级;当本单元发送数据被总线仲裁为等待时,则提升本单元的优先级继续发送。虽然优先级的动态分配解决了各单元数据传输的平等性问题,但系统节点较多,使用CAN本身的仲裁机制仍会有较长时间的发送等待。而各分布单元之间使用分时传输机制,在控制范围内沿时间轴展开数据传输,这样就减少了节点之间的总线冲突,提高了通信稳定性。

　　CAN传输的8字节数据域制定的协议格式如表1所示。表中,指令码标志本指令的内容,源地址发送单元的标志符,长度标志有效数据,接收单元根据长度处理数据。指令分为网络控制、运行状态设置、同步监测和校准、报警监测、故障处理等几个类别。CAN总线优化的控制机制和应用层协议以稳定的总线网络传送控制信息,通信的稳定性和实时性得到了实验验证。
　　

3 实验验证

　　高压变频系统因为其应用环境的特殊性,不能在现场直接进行稳定性和可靠性的实验。本文根据高压变频系统控制的原理,模拟现场情况设计了测试系统。测试系统以带载0～24V的控制单元电压替换功率单元的0～540V电压,测试系统拖动380V/120W的三相交流电机,从控制准确性、稳定性和可靠性各方面对系统进行验证。

　　为了采集单元叠加波形,在测试系统的电压输出端用50kΩ/150kΩ的电阻分压,测得的相电压叠加波形如图6（a）所示。分布式单元的输出电压按照理论设计的要求叠加,完全符合控制模型所要求的控制电压波形,而且分布式嵌入控制系统中八个控制单元的同步运行正常。

　　图6（b）所示的线电压叠加波形为两相相电压矢量和。在系统运行过程中,变化输出电压的频率和峰值、线电压波形都保持正常,说明分布式控制的各相之间的相位差控制算法正确。

　　系统在实验环境下长时间（测试时间为一周）运行,变频调速等各项功能稳定正常。本文设计的系统和高压驱动部分均为弱电信号接口,测试平台的测试情况基本可以反映系统工业运行情况,测试实验证明了本文所设计的嵌入式分布控制策略实际应用的可行性。

　　本文对高压变频提出了一种新的控制策略,成功地设计了稳定的高压变频分布式控制系统测试平台。该平台实现了以电压串联的拓扑结构完成电机的控制运行,系统在模拟的试验环境下经过测试,验证了系统的分布式策略以及通信协议、控制算法的正确性。且运行良好。

　　分布式控制系统与传统的控制系统相比,其控制结构简单、有较强的伸缩性和可重构性等优点。而且具有很强的运算能力,为控制算法的优化和控制性能的提高留有很大的上升空间。本文所设计的高压变频分布控制系统适合应用于电力、油田、造纸等行业中的高压电机的控制。