专利名称：Can总线磁悬浮球控制系统及总线通信方法
技术领域：
本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种CAN总线磁悬浮球控制系统。
背景技术：
磁悬浮技术是集电磁学、电子学、力学、机械学、控制工程和计算机科学为一体的 技术。具有非接触性、无润滑问题、可控性好等优点。近年来，随着各项技术的发展，磁悬浮 技术在很多领域得到广泛的应用，如磁悬浮列车、磁悬浮轴承、高速磁悬浮电机等。国外在 进行磁悬浮技术的研究初始阶段，大多数是在磁悬浮小球控制系统上开展起来的，以此来 研究磁悬浮系统的各项性能。随着自动控制技术、计算机技术和网络技术的发展以及控制和管理要求的不断提 高，使得控制系统正由封闭的集中体系加速向开放的分布式体系发展，出现了分布式控制 系统，现场总线控制系统，使控制系统的结构和性能有了飞跃性的变化。在磁悬浮球控制系 统的研究方面，国内大部分还只是采用集中控制系统，将系统应用于控制算法的研究。
发明内容
本发明是针对现在控制技术要向现场总线控制发展的问题，提出了一种CAN总线 磁悬浮球控制系统及总线通信方法，使其系统网络化、分散化，并且提高系统的开放性、抗 干扰性、可靠性、经济性等性能。本发明的技术方案为一种CAN总线磁悬浮球控制系统，包括四个CAN节点，由光 源和光电位置传感器组成无接触测量装置将检测的钢球与电磁铁之间的距离信号输入到 处理电路后连接A/D转换器，A/D转换器转换数据后送第一 CAN节点；第二 CAN节点通过D/ A转换器输出电压信号，通过驱动电路输出控制信号到电磁铁绕组，控制电磁力的大小；第 三CAN节点通过继电器控制无接触测量装置光源开关；第一、二、三CAN节点通过CAN总线 通信传递信息，CAN总线通信通过CAN接口卡，连接上位机PC。所述CAN节点的控制器选用ARM7处理器LPC2^2，第一 CAN节点主要包括模拟输 入模块，其输出通过CAN总线传送到第二 CAN节点；第二 CAN节点包括PID模块和模拟输出 模块；第一 CAN节点的输出作为PID模块的输入，进行PID运算，结果通过模拟输出模块输 出控制电压；其中PID的参数由上位机PC通过CAN接口卡和CAN总线以非周期通信方式来设置。一种CAN总线磁悬浮球控制系统的总线通信方法，包括CAN总线磁悬浮球控制系 统，首先由第一 CAN节点发送周期型数据，即通过传感器采样到的钢球位置；其他节点接收 到该数据帧之后，将其作为参考帧，同步启动一个定时器，在2ms之内如果有事件触发型数 据需要发送，则发送数据，基本周期内的其他时间如果有数据需要发送，则需要等到下一个 通信周期。本发明的有益效果在于本发明CAN总线磁悬浮球控制系统及总线通信方法，简 化了系统结构，提高了可靠性；具有较强的抗干扰能力；是一个开放的系统，可以与任何遵守CAN总线协议的其他设备或系统连接；将传感测量、工程量处理与控制等功能分散到现 场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状 态。
图1为本发明CAN总线磁悬浮球控制系统结构示意图； 图2为本发明CAN总线磁悬浮球控制系统中A/D转换原理图； 图3为本发明CAN总线磁悬浮球控制系统中D/A转换原理图； 图4为本发明CAN总线磁悬浮球控制系统中继电器控制原理图5为本发明CAN总线磁悬浮球控制系统中CAN通信硬件电路原理图； 图6为本发明CAN总线磁悬浮球控制系统中CAN总线磁悬浮球控制系统功能块的组合
图7为本发明CAN总线磁悬浮球控制系统中通信周期分配图。
具体实施例方式CAN总线磁悬浮球控制系统，如图1所示，包含四个CAN节点。第一 CAN节点12采 用光源6和光电位置传感器5组成的无接触测量装置检测钢球9与电磁铁1之间的距离χ 的变化，传感器信号5经过处理电路10后连接A/D转换器11。第二 CAN节点4通过D/A转 换器3输出一定大小的电压，通过驱动电路2控制电磁铁1绕组中的电流大小，从而控制磁 力F的大小。第三CAN节点8通过继电器7控制光源6开关。前三个节点之间通过CAN总 线通信13，构成PID闭环控制系统，控制电磁铁1绕组中的电流，使之产生的电磁力与钢球 9的重力mg相平衡，钢球9就可以悬浮在空中而处于平衡状态。第四CAN节点为CAN接口 卡14，连接上位机PC15，用于系统监控。第一、二、三CAN节点采用一个通用的CAN节点，CAN节点的控制器选用ARM7处理 器LPC2^2。外围电路包括复位电路、晶振电路、稳压电路、CAN通信硬件电路、A/D转换电 路、D/A转换电路、继电器控制电路。A/D转换电路原理如图2所示，采样周期为3ms。控制器LPC2^2执行一条向外部存 储器的地址读访问的语句，此时茂
上的信号变为低电平，可以触发A/D转换。转换过程需要2. 2us来完成，结束后，M^F端 上由低电平跳变为高电平，触发LPC2292上的外部中断0，这时就可以通过数据总线将A/D 转换数据读出来。D/A转换电路原理如图3所示，只需要向外部存储器的地址写数据，其中数据低12 位，即bito-bitll为输出数据，确定控制电压值。继电器控制电路原理如图4所示，当LPC2^2的GPIO 口 P0. 4为高电平时，三极管 8050导通。此时继电器与地连通，继电器线圈上电流变大，产生磁力，改变开关状态，使得接 口 J4连通。CAN通信硬件电路原理如图5所示，LPC2292本身集成了 CAN控制器，因此只需要 连接CAN收发器即可。CAN收发器集成了 CAN协议物理层的部分功能，提供了 CAN控制器与物理总线之间的接口，以及对CAN总线的差动发送和接收功能。系统采用PID闭环控制，其功能块的组合如图6所示。其中虚线表示非周期通信， 实线表示发布/预定接收型周期通信或节点内部的链接。第一 CAN节点12主要包括模拟 输入(Al)模块，其输出通过CAN总线传送到第二 CAN节点。第二 CAN节点4包括PID模块 和模拟输出(AO)模块。第一 CAN节点12的输出作为PID模块的输入，进行PID运算，结果 通过模拟输出模块输出控制电压。其中PID的参数SP (设置位置)，Kp (比例系数)、Ki (积 分时间常数)、Kd (微分时间常数)是由上位机PC通过非周期通信方式来设置。为了提高系统实时性，防止周期型数据被延迟，系统不仅将周期型数据的优先级 设置较高，而且对通信系统的基本周期进行分配，如图7所示，可以避免周期型数据的传输 被干扰。通信系统的基本周期为:3ms。首先由第一 CAN节点12发送周期型数据，即通过传 感器采样到的钢球位置。其他节点接收到该数据帧之后，将其作为参考帧，同步本地时钟。 此刻开始的2ms为仲裁窗，可以发送事件触发型数据。具体实现方法是，其他节点可以启动 一个定时器，在2ms之内如果有事件触发型数据需要发送，则发送数据，基本周期内的其他 时间如果有数据需要发送，则需要等到下一个周期。空余时隙大约有0.8ms。主要是用来 防止仲裁窗发生数据帧冲突而导致低优先级的数据帧在仲裁窗没有发送完。由于CAN是不 能取消发送的，而且如果出错还会自动重发。因此本设计通过提供一段空闲时隙，来让总线 “空闲”下来。这样可以防止其干扰时间触发型数据的发送，保障其实时性。上位机PC15通过磁悬浮球控制系统软件，完成发送控制命令和接收反馈状态信 息的通信功能。通过解析从CAN总线上接收到的数据，确定钢球9的位置，完成监控及错误 诊断功能，并可以实现PID控制器的参数设置。该控制系统软件能够提供人机交互的良好 界面。上位机PC15通过CAN接口卡14与CAN物理总线13连接，实现CAN通信。
权利要求
1.一种CAN总线磁悬浮球控制系统，其特征在于，包括四个CAN节点，由光源和光电位 置传感器组成无接触测量装置将检测的钢球与电磁铁之间的距离信号输入到处理电路后 连接A/D转换器，A/D转换器转换数据后送第一 CAN节点；第二 CAN节点通过D/A转换器输 出电压信号，通过驱动电路输出控制信号到电磁铁绕组，控制电磁力的大小；第三CAN节点 通过继电器控制无接触测量装置光源开关；第一、二、三CAN节点通过CAN总线通信传递信 息，CAN总线通信通过CAN接口卡，连接上位机PC。
2.根据权利要求1所述CAN总线磁悬浮球控制系统，其特征在于，所述CAN节点的控 制器选用ARM7处理器LPC2^2，第一 CAN节点主要包括模拟输入模块，其输出通过CAN总线 传送到第二 CAN节点；第二 CAN节点包括PID模块和模拟输出模块；第一 CAN节点的输出作 为PID模块的输入，进行PID运算，结果通过模拟输出模块输出控制电压；其中PID的参数 由上位机PC通过CAN接口卡和CAN总线非周期通信方式来设置。
3.一种CAN总线磁悬浮球控制系统的总线通讯方法，包括CAN总线磁悬浮球控制系统， 其特征在于，首先由第一 CAN节点发送周期型数据，即通过传感器采样到的钢球位置；其他 节点接收到该数据帧之后，将其作为参考帧，同步启动一个定时器，在2ms之内如果有事件 触发型数据需要发送，则发送数据，基本周期内的其他时间如果有数据需要发送，则需要等 到下一个通信周期。
全文摘要
本发明涉及一种CAN总线磁悬浮球控制系统及总线通信方法，由光源和光电位置传感器组成无接触测量装置将检测的钢球与电磁铁之间的距离信号输入到处理电路后连接A/D转换器，A/D转换器转换数据后送第一CAN节点；第二CAN节点通过D/A转换器输出电压信号，通过驱动电路输出控制信号到电磁铁绕组，控制电磁力的大小；三个节点之间通过CAN总线通信，构成PID闭环控制系统，控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与钢球的重力mg相平衡，CAN总线通信通过CAN接口卡，连接上位机PC。具有开放性，可靠性高，抗干扰能力强，系统结构高度分散化，风险分散，易于安装和维护等优点。同时还可以用于各种控制算法以及CAN总线通信理论的研究与实践。
文档编号G05B19/418GK102117064SQ201110005159
公开日2011年7月6日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者仇林至, 尚雯雯, 廖振俭, 张凤登, 张勇, 王闯 申请人:上海理工大学