專利名稱：Can總線磁懸浮球控制系統(tǒng)及總線通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制技術(shù)，特別涉及一種CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、電子學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的 技術(shù)。具有非接觸性、無潤滑問題、可控性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，磁懸浮 技術(shù)在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如磁懸浮列車、磁懸浮軸承、高速磁懸浮電機(jī)等。國外在 進(jìn)行磁懸浮技術(shù)的研究初始階段，大多數(shù)是在磁懸浮小球控制系統(tǒng)上開展起來的，以此來 研究磁懸浮系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。隨著自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及控制和管理要求的不斷提 高，使得控制系統(tǒng)正由封閉的集中體系加速向開放的分布式體系發(fā)展，出現(xiàn)了分布式控制 系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能有了飛躍性的變化。在磁懸浮球控制系 統(tǒng)的研究方面，國內(nèi)大部分還只是采用集中控制系統(tǒng)，將系統(tǒng)應(yīng)用于控制算法的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)在控制技術(shù)要向現(xiàn)場(chǎng)總線控制發(fā)展的問題，提出了一種CAN總線 磁懸浮球控制系統(tǒng)及總線通信方法，使其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、分散化，并且提高系統(tǒng)的開放性、抗 干擾性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等性能。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)，包括四個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，由光 源和光電位置傳感器組成無接觸測(cè)量裝置將檢測(cè)的鋼球與電磁鐵之間的距離信號(hào)輸入到 處理電路后連接A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后送第一 CAN節(jié)點(diǎn)；第二 CAN節(jié)點(diǎn)通過D/ A轉(zhuǎn)換器輸出電壓信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路輸出控制信號(hào)到電磁鐵繞組，控制電磁力的大?。坏?三CAN節(jié)點(diǎn)通過繼電器控制無接觸測(cè)量裝置光源開關(guān)；第一、二、三CAN節(jié)點(diǎn)通過CAN總線 通信傳遞信息，CAN總線通信通過CAN接口卡，連接上位機(jī)PC。所述CAN節(jié)點(diǎn)的控制器選用ARM7處理器LPC2^2，第一 CAN節(jié)點(diǎn)主要包括模擬輸 入模塊，其輸出通過CAN總線傳送到第二 CAN節(jié)點(diǎn)；第二 CAN節(jié)點(diǎn)包括PID模塊和模擬輸出 模塊；第一 CAN節(jié)點(diǎn)的輸出作為PID模塊的輸入，進(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)果通過模擬輸出模塊輸 出控制電壓；其中PID的參數(shù)由上位機(jī)PC通過CAN接口卡和CAN總線以非周期通信方式來設(shè)置。一種CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)的總線通信方法，包括CAN總線磁懸浮球控制系 統(tǒng)，首先由第一 CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送周期型數(shù)據(jù)，即通過傳感器采樣到的鋼球位置；其他節(jié)點(diǎn)接收 到該數(shù)據(jù)幀之后，將其作為參考幀，同步啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，在2ms之內(nèi)如果有事件觸發(fā)型數(shù) 據(jù)需要發(fā)送，則發(fā)送數(shù)據(jù)，基本周期內(nèi)的其他時(shí)間如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則需要等到下一個(gè) 通信周期。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)及總線通信方法，簡(jiǎn) 化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性；具有較強(qiáng)的抗干擾能力；是一個(gè)開放的系統(tǒng)，可以與任何遵守CAN總線協(xié)議的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接；將傳感測(cè)量、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn) 場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀 態(tài)。


圖1為本發(fā)明CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換原理圖； 圖3為本發(fā)明CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)中D/A轉(zhuǎn)換原理圖； 圖4為本發(fā)明CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)中繼電器控制原理圖5為本發(fā)明CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)中CAN通信硬件電路原理圖； 圖6為本發(fā)明CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)中CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)功能塊的組合
圖7為本發(fā)明CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)中通信周期分配圖。
具體實(shí)施例方式CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)，如圖1所示，包含四個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。第一 CAN節(jié)點(diǎn)12采 用光源6和光電位置傳感器5組成的無接觸測(cè)量裝置檢測(cè)鋼球9與電磁鐵1之間的距離χ 的變化，傳感器信號(hào)5經(jīng)過處理電路10后連接A/D轉(zhuǎn)換器11。第二 CAN節(jié)點(diǎn)4通過D/A轉(zhuǎn) 換器3輸出一定大小的電壓，通過驅(qū)動(dòng)電路2控制電磁鐵1繞組中的電流大小，從而控制磁 力F的大小。第三CAN節(jié)點(diǎn)8通過繼電器7控制光源6開關(guān)。前三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過CAN總 線通信13，構(gòu)成PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制電磁鐵1繞組中的電流，使之產(chǎn)生的電磁力與鋼球 9的重力mg相平衡，鋼球9就可以懸浮在空中而處于平衡狀態(tài)。第四CAN節(jié)點(diǎn)為CAN接口 卡14，連接上位機(jī)PC15，用于系統(tǒng)監(jiān)控。第一、二、三CAN節(jié)點(diǎn)采用一個(gè)通用的CAN節(jié)點(diǎn)，CAN節(jié)點(diǎn)的控制器選用ARM7處理 器LPC2^2。外圍電路包括復(fù)位電路、晶振電路、穩(wěn)壓電路、CAN通信硬件電路、A/D轉(zhuǎn)換電 路、D/A轉(zhuǎn)換電路、繼電器控制電路。A/D轉(zhuǎn)換電路原理如圖2所示，采樣周期為3ms?？刂破鱈PC2^2執(zhí)行一條向外部存 儲(chǔ)器的地址讀訪問的語句，此時(shí)茂
上的信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，可以觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程需要2. 2us來完成，結(jié)束后，M^F端 上由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑|發(fā)LPC2292上的外部中斷0，這時(shí)就可以通過數(shù)據(jù)總線將A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀出來。D/A轉(zhuǎn)換電路原理如圖3所示，只需要向外部存儲(chǔ)器的地址寫數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)低12 位，即bito-bitll為輸出數(shù)據(jù)，確定控制電壓值。繼電器控制電路原理如圖4所示，當(dāng)LPC2^2的GPIO 口 P0. 4為高電平時(shí)，三極管 8050導(dǎo)通。此時(shí)繼電器與地連通，繼電器線圈上電流變大，產(chǎn)生磁力，改變開關(guān)狀態(tài)，使得接 口 J4連通。CAN通信硬件電路原理如圖5所示，LPC2292本身集成了 CAN控制器，因此只需要 連接CAN收發(fā)器即可。CAN收發(fā)器集成了 CAN協(xié)議物理層的部分功能，提供了 CAN控制器與物理總線之間的接口，以及對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。系統(tǒng)采用PID閉環(huán)控制，其功能塊的組合如圖6所示。其中虛線表示非周期通信， 實(shí)線表示發(fā)布/預(yù)定接收型周期通信或節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的鏈接。第一 CAN節(jié)點(diǎn)12主要包括模擬 輸入(Al)模塊，其輸出通過CAN總線傳送到第二 CAN節(jié)點(diǎn)。第二 CAN節(jié)點(diǎn)4包括PID模塊 和模擬輸出(AO)模塊。第一 CAN節(jié)點(diǎn)12的輸出作為PID模塊的輸入，進(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)果 通過模擬輸出模塊輸出控制電壓。其中PID的參數(shù)SP (設(shè)置位置)，Kp (比例系數(shù))、Ki (積 分時(shí)間常數(shù))、Kd (微分時(shí)間常數(shù))是由上位機(jī)PC通過非周期通信方式來設(shè)置。為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，防止周期型數(shù)據(jù)被延遲，系統(tǒng)不僅將周期型數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí) 設(shè)置較高，而且對(duì)通信系統(tǒng)的基本周期進(jìn)行分配，如圖7所示，可以避免周期型數(shù)據(jù)的傳輸 被干擾。通信系統(tǒng)的基本周期為:3ms。首先由第一 CAN節(jié)點(diǎn)12發(fā)送周期型數(shù)據(jù)，即通過傳 感器采樣到的鋼球位置。其他節(jié)點(diǎn)接收到該數(shù)據(jù)幀之后，將其作為參考幀，同步本地時(shí)鐘。 此刻開始的2ms為仲裁窗，可以發(fā)送事件觸發(fā)型數(shù)據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)方法是，其他節(jié)點(diǎn)可以啟動(dòng) 一個(gè)定時(shí)器，在2ms之內(nèi)如果有事件觸發(fā)型數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則發(fā)送數(shù)據(jù)，基本周期內(nèi)的其他 時(shí)間如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則需要等到下一個(gè)周期?？沼鄷r(shí)隙大約有0.8ms。主要是用來 防止仲裁窗發(fā)生數(shù)據(jù)幀沖突而導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀在仲裁窗沒有發(fā)送完。由于CAN是不 能取消發(fā)送的，而且如果出錯(cuò)還會(huì)自動(dòng)重發(fā)。因此本設(shè)計(jì)通過提供一段空閑時(shí)隙，來讓總線 “空閑”下來。這樣可以防止其干擾時(shí)間觸發(fā)型數(shù)據(jù)的發(fā)送，保障其實(shí)時(shí)性。上位機(jī)PC15通過磁懸浮球控制系統(tǒng)軟件，完成發(fā)送控制命令和接收反饋狀態(tài)信 息的通信功能。通過解析從CAN總線上接收到的數(shù)據(jù)，確定鋼球9的位置，完成監(jiān)控及錯(cuò)誤 診斷功能，并可以實(shí)現(xiàn)PID控制器的參數(shù)設(shè)置。該控制系統(tǒng)軟件能夠提供人機(jī)交互的良好 界面。上位機(jī)PC15通過CAN接口卡14與CAN物理總線13連接，實(shí)現(xiàn)CAN通信。
權(quán)利要求
1.一種CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)，其特征在于，包括四個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，由光源和光電位 置傳感器組成無接觸測(cè)量裝置將檢測(cè)的鋼球與電磁鐵之間的距離信號(hào)輸入到處理電路后 連接A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后送第一 CAN節(jié)點(diǎn)；第二 CAN節(jié)點(diǎn)通過D/A轉(zhuǎn)換器輸 出電壓信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路輸出控制信號(hào)到電磁鐵繞組，控制電磁力的大小；第三CAN節(jié)點(diǎn) 通過繼電器控制無接觸測(cè)量裝置光源開關(guān)；第一、二、三CAN節(jié)點(diǎn)通過CAN總線通信傳遞信 息，CAN總線通信通過CAN接口卡，連接上位機(jī)PC。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)，其特征在于，所述CAN節(jié)點(diǎn)的控 制器選用ARM7處理器LPC2^2，第一 CAN節(jié)點(diǎn)主要包括模擬輸入模塊，其輸出通過CAN總線 傳送到第二 CAN節(jié)點(diǎn)；第二 CAN節(jié)點(diǎn)包括PID模塊和模擬輸出模塊；第一 CAN節(jié)點(diǎn)的輸出作 為PID模塊的輸入，進(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)果通過模擬輸出模塊輸出控制電壓；其中PID的參數(shù) 由上位機(jī)PC通過CAN接口卡和CAN總線非周期通信方式來設(shè)置。
3.一種CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)的總線通訊方法，包括CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)， 其特征在于，首先由第一 CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送周期型數(shù)據(jù)，即通過傳感器采樣到的鋼球位置；其他 節(jié)點(diǎn)接收到該數(shù)據(jù)幀之后，將其作為參考幀，同步啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，在2ms之內(nèi)如果有事件 觸發(fā)型數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則發(fā)送數(shù)據(jù)，基本周期內(nèi)的其他時(shí)間如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則需要等 到下一個(gè)通信周期。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種CAN總線磁懸浮球控制系統(tǒng)及總線通信方法，由光源和光電位置傳感器組成無接觸測(cè)量裝置將檢測(cè)的鋼球與電磁鐵之間的距離信號(hào)輸入到處理電路后連接A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后送第一CAN節(jié)點(diǎn)；第二CAN節(jié)點(diǎn)通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路輸出控制信號(hào)到電磁鐵繞組，控制電磁力的大??；三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過CAN總線通信，構(gòu)成PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制電磁鐵繞組中的電流，使之產(chǎn)生的電磁力與鋼球的重力mg相平衡，CAN總線通信通過CAN接口卡，連接上位機(jī)PC。具有開放性，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散化，風(fēng)險(xiǎn)分散，易于安裝和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還可以用于各種控制算法以及CAN總線通信理論的研究與實(shí)踐。
文檔編號(hào)G05B19/418GK102117064SQ201110005159
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者仇林至, 尚雯雯, 廖振儉, 張鳳登, 張勇, 王闖 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)