專利名稱：Can總線磁懸浮球控制系統及總線通信方法
技術領域：
本發明涉及一種控制技術，特別涉及一種CAN總線磁懸浮球控制系統。
背景技術：
磁懸浮技術是集電磁學、電子學、力學、機械學、控制工程和計算機科學為一體的 技術。具有非接觸性、無潤滑問題、可控性好等優點。近年來，隨著各項技術的發展，磁懸浮 技術在很多領域得到廣泛的應用，如磁懸浮列車、磁懸浮軸承、高速磁懸浮電機等。國外在 進行磁懸浮技術的研究初始階段，大多數是在磁懸浮小球控制系統上開展起來的，以此來 研究磁懸浮系統的各項性能。隨著自動控制技術、計算機技術和網絡技術的發展以及控制和管理要求的不斷提 高，使得控制系統正由封閉的集中體系加速向開放的分布式體系發展，出現了分布式控制 系統，現場總線控制系統，使控制系統的結構和性能有了飛躍性的變化。在磁懸浮球控制系 統的研究方面，國內大部分還只是采用集中控制系統，將系統應用于控制算法的研究。
發明內容
本發明是針對現在控制技術要向現場總線控制發展的問題，提出了一種CAN總線 磁懸浮球控制系統及總線通信方法，使其系統網絡化、分散化，并且提高系統的開放性、抗 干擾性、可靠性、經濟性等性能。本發明的技術方案為一種CAN總線磁懸浮球控制系統，包括四個CAN節點，由光 源和光電位置傳感器組成無接觸測量裝置將檢測的鋼球與電磁鐵之間的距離信號輸入到 處理電路后連接A/D轉換器，A/D轉換器轉換數據后送第一 CAN節點；第二 CAN節點通過D/ A轉換器輸出電壓信號，通過驅動電路輸出控制信號到電磁鐵繞組，控制電磁力的大小；第 三CAN節點通過繼電器控制無接觸測量裝置光源開關；第一、二、三CAN節點通過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PC。所述CAN節點的控制器選用ARM7處理器LPC2^2，第一 CAN節點主要包括模擬輸 入模塊，其輸出通過CAN總線傳送到第二 CAN節點；第二 CAN節點包括PID模塊和模擬輸出 模塊；第一 CAN節點的輸出作為PID模塊的輸入，進行PID運算，結果通過模擬輸出模塊輸 出控制電壓；其中PID的參數由上位機PC通過CAN接口卡和CAN總線以非周期通信方式來設置。一種CAN總線磁懸浮球控制系統的總線通信方法，包括CAN總線磁懸浮球控制系 統，首先由第一 CAN節點發送周期型數據，即通過傳感器采樣到的鋼球位置；其他節點接收 到該數據幀之后，將其作為參考幀，同步啟動一個定時器，在2ms之內如果有事件觸發型數 據需要發送，則發送數據，基本周期內的其他時間如果有數據需要發送，則需要等到下一個 通信周期。本發明的有益效果在于本發明CAN總線磁懸浮球控制系統及總線通信方法，簡 化了系統結構，提高了可靠性；具有較強的抗干擾能力；是一個開放的系統，可以與任何遵守CAN總線協議的其他設備或系統連接；將傳感測量、工程量處理與控制等功能分散到現 場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀 態。
圖1為本發明CAN總線磁懸浮球控制系統結構示意圖； 圖2為本發明CAN總線磁懸浮球控制系統中A/D轉換原理圖； 圖3為本發明CAN總線磁懸浮球控制系統中D/A轉換原理圖； 圖4為本發明CAN總線磁懸浮球控制系統中繼電器控制原理圖5為本發明CAN總線磁懸浮球控制系統中CAN通信硬件電路原理圖； 圖6為本發明CAN總線磁懸浮球控制系統中CAN總線磁懸浮球控制系統功能塊的組合
圖7為本發明CAN總線磁懸浮球控制系統中通信周期分配圖。
具體實施例方式CAN總線磁懸浮球控制系統，如圖1所示，包含四個CAN節點。第一 CAN節點12采 用光源6和光電位置傳感器5組成的無接觸測量裝置檢測鋼球9與電磁鐵1之間的距離χ 的變化，傳感器信號5經過處理電路10后連接A/D轉換器11。第二 CAN節點4通過D/A轉 換器3輸出一定大小的電壓，通過驅動電路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節點8通過繼電器7控制光源6開關。前三個節點之間通過CAN總 線通信13，構成PID閉環控制系統，控制電磁鐵1繞組中的電流，使之產生的電磁力與鋼球 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。第四CAN節點為CAN接口 卡14，連接上位機PC15，用于系統監控。第一、二、三CAN節點采用一個通用的CAN節點，CAN節點的控制器選用ARM7處理 器LPC2^2。外圍電路包括復位電路、晶振電路、穩壓電路、CAN通信硬件電路、A/D轉換電 路、D/A轉換電路、繼電器控制電路。A/D轉換電路原理如圖2所示，采樣周期為3ms。控制器LPC2^2執行一條向外部存 儲器的地址讀訪問的語句，此時茂
上的信號變為低電平，可以觸發A/D轉換。轉換過程需要2. 2us來完成，結束后，M^F端 上由低電平跳變為高電平，觸發LPC2292上的外部中斷0，這時就可以通過數據總線將A/D 轉換數據讀出來。D/A轉換電路原理如圖3所示，只需要向外部存儲器的地址寫數據，其中數據低12 位，即bito-bitll為輸出數據，確定控制電壓值。繼電器控制電路原理如圖4所示，當LPC2^2的GPIO 口 P0. 4為高電平時，三極管 8050導通。此時繼電器與地連通，繼電器線圈上電流變大，產生磁力，改變開關狀態，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收發器即可。CAN收發器集成了 CAN協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CAN總線的差動發送和接收功能。系統采用PID閉環控制，其功能塊的組合如圖6所示。其中虛線表示非周期通信， 實線表示發布/預定接收型周期通信或節點內部的鏈接。第一 CAN節點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節點。第二 CAN節點4包括PID模塊 和模擬輸出(AO)模塊。第一 CAN節點12的輸出作為PID模塊的輸入，進行PID運算，結果 通過模擬輸出模塊輸出控制電壓。其中PID的參數SP (設置位置)，Kp (比例系數)、Ki (積 分時間常數)、Kd (微分時間常數)是由上位機PC通過非周期通信方式來設置。為了提高系統實時性，防止周期型數據被延遲，系統不僅將周期型數據的優先級 設置較高，而且對通信系統的基本周期進行分配，如圖7所示，可以避免周期型數據的傳輸 被干擾。通信系統的基本周期為:3ms。首先由第一 CAN節點12發送周期型數據，即通過傳 感器采樣到的鋼球位置。其他節點接收到該數據幀之后，將其作為參考幀，同步本地時鐘。 此刻開始的2ms為仲裁窗，可以發送事件觸發型數據。具體實現方法是，其他節點可以啟動 一個定時器，在2ms之內如果有事件觸發型數據需要發送，則發送數據，基本周期內的其他 時間如果有數據需要發送，則需要等到下一個周期。空余時隙大約有0.8ms。主要是用來 防止仲裁窗發生數據幀沖突而導致低優先級的數據幀在仲裁窗沒有發送完。由于CAN是不 能取消發送的，而且如果出錯還會自動重發。因此本設計通過提供一段空閑時隙，來讓總線 “空閑”下來。這樣可以防止其干擾時間觸發型數據的發送，保障其實時性。上位機PC15通過磁懸浮球控制系統軟件，完成發送控制命令和接收反饋狀態信 息的通信功能。通過解析從CAN總線上接收到的數據，確定鋼球9的位置，完成監控及錯誤 診斷功能，并可以實現PID控制器的參數設置。該控制系統軟件能夠提供人機交互的良好 界面。上位機PC15通過CAN接口卡14與CAN物理總線13連接，實現CAN通信。
權利要求
1.一種CAN總線磁懸浮球控制系統，其特征在于，包括四個CAN節點，由光源和光電位 置傳感器組成無接觸測量裝置將檢測的鋼球與電磁鐵之間的距離信號輸入到處理電路后 連接A/D轉換器，A/D轉換器轉換數據后送第一 CAN節點；第二 CAN節點通過D/A轉換器輸 出電壓信號，通過驅動電路輸出控制信號到電磁鐵繞組，控制電磁力的大小；第三CAN節點 通過繼電器控制無接觸測量裝置光源開關；第一、二、三CAN節點通過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PC。
2.根據權利要求1所述CAN總線磁懸浮球控制系統，其特征在于，所述CAN節點的控 制器選用ARM7處理器LPC2^2，第一 CAN節點主要包括模擬輸入模塊，其輸出通過CAN總線 傳送到第二 CAN節點；第二 CAN節點包括PID模塊和模擬輸出模塊；第一 CAN節點的輸出作 為PID模塊的輸入，進行PID運算，結果通過模擬輸出模塊輸出控制電壓；其中PID的參數 由上位機PC通過CAN接口卡和CAN總線非周期通信方式來設置。
3.一種CAN總線磁懸浮球控制系統的總線通訊方法，包括CAN總線磁懸浮球控制系統， 其特征在于，首先由第一 CAN節點發送周期型數據，即通過傳感器采樣到的鋼球位置；其他 節點接收到該數據幀之后，將其作為參考幀，同步啟動一個定時器，在2ms之內如果有事件 觸發型數據需要發送，則發送數據，基本周期內的其他時間如果有數據需要發送，則需要等 到下一個通信周期。
全文摘要
本發明涉及一種CAN總線磁懸浮球控制系統及總線通信方法，由光源和光電位置傳感器組成無接觸測量裝置將檢測的鋼球與電磁鐵之間的距離信號輸入到處理電路后連接A/D轉換器，A/D轉換器轉換數據后送第一CAN節點；第二CAN節點通過D/A轉換器輸出電壓信號，通過驅動電路輸出控制信號到電磁鐵繞組，控制電磁力的大小；三個節點之間通過CAN總線通信，構成PID閉環控制系統，控制電磁鐵繞組中的電流，使之產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PC。具有開放性，可靠性高，抗干擾能力強，系統結構高度分散化，風險分散，易于安裝和維護等優點。同時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踐。
文檔編號G05B19/418GK102117064SQ201110005159
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月12日 優先權日2011年1月12日
發明者仇林至, 尚雯雯, 廖振儉, 張鳳登, 張勇, 王闖 申請人:上海理工大學