專利名稱：強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種分布式強(qiáng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，特別涉及一種強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
磁懸浮控制技術(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(wú)潤(rùn)滑問題、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，伴隨其它技術(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(guó)外在進(jìn)行磁懸浮控制研究的初始階段，大多數(shù)是在磁懸浮小球控制裝置上展開的，以此來(lái)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)了分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，這種建立在現(xiàn)場(chǎng)CAN總線基礎(chǔ)上的控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)和性能有了飛躍性的變化。 然而在磁懸浮球控制系統(tǒng)的研究方面，國(guó)內(nèi)大部分還只是采用集中式控制系統(tǒng)，將系統(tǒng)應(yīng)用于控制算法的研究，而集中式控制系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化程度低、可靠性差、經(jīng)濟(jì)性差的缺點(diǎn)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型是針對(duì)控制技術(shù)由直接數(shù)字控制、集中式控制所存在的缺陷，提供一種建立在控制器局域網(wǎng)基礎(chǔ)上的用于磁懸浮球控制裝置的強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其通過(guò)實(shí)現(xiàn)總線通信方法使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、分散化，提高了系統(tǒng)的開放性、可靠性、可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性等。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為一種強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于磁懸浮光電控制裝置，該磁懸浮光電控制裝置包括電磁鐵、光源、鋼球和光電位置傳感器，其特征在于，該現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括與CAN總線連接的第一 CAN節(jié)點(diǎn)、第二 CAN節(jié)點(diǎn)、第三CAN節(jié)點(diǎn)和第四CAN節(jié)點(diǎn)，所述第三CAN節(jié)點(diǎn)依次連接繼電器和光源，并控制該光源的開啟與關(guān)閉，所述第一 CAN節(jié)點(diǎn)依次連接A/D轉(zhuǎn)換器、處理電路和光電位置傳感器，并檢測(cè)所述鋼球與電磁鐵之間的距離信號(hào)且傳送到所述CAN總線，所述第二 CAN節(jié)點(diǎn)依次連接D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路和電磁鐵，并控制該電磁鐵電磁力的大小，所述第四CAN節(jié)點(diǎn)連接對(duì)全系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與維護(hù)的監(jiān)控PC機(jī)。本實(shí)用新型所述強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的第一 CAN節(jié)點(diǎn)、第二 CAN 節(jié)點(diǎn)和第三CAN節(jié)點(diǎn)采用同一結(jié)構(gòu)的CAN節(jié)點(diǎn)，其包括微處理器LPC2^2、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)換電路和繼電器控制電路。本實(shí)用新型是一種強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其有益效果在于簡(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；本實(shí)用新型是一個(gè)開放的系統(tǒng)，可以與任何遵守CAN總線協(xié)議的其它設(shè)備或系統(tǒng)連接，其將傳感測(cè)量、工程量處理與控制運(yùn)算等功能分散到現(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，可進(jìn)行控制算法研究，并可在線診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型功能塊的組合圖。圖3為本實(shí)用新型的CAN節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成框圖。圖4為本實(shí)用新型的A/D轉(zhuǎn)換器電路原理圖。圖5為本實(shí)用新型的D/A轉(zhuǎn)換器電路原理圖。圖6為本實(shí)用新型的繼電器控制電路原理圖。圖7為本實(shí)用新型通信電路原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。首先請(qǐng)參閱圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，圖示強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于磁懸浮光電控制裝置。該磁懸浮光電控制裝置包括電磁鐵1、光源6、鋼球9和光電位置傳感器5，所述光源6和光電位置傳感器5置于懸浮鋼球9的左右兩側(cè)，所述電磁鐵 1位于該鋼球9的上方，其產(chǎn)生的電磁力F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)。該電磁鐵1繞組中電流的變化使電磁力F隨之變化，從而使鋼球9 與電磁鐵1之間的距離X發(fā)生變化，因此光源6照射鋼球9在光電位置傳感器5上的投影位置也同時(shí)發(fā)生變化，從而光電位置傳感器5因此所產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)就也會(huì)發(fā)生變化。換言之，光源6和光電位置傳感器5組成了懸浮鋼球9位置的無(wú)接觸測(cè)量裝置，該光電位置傳感器5上感應(yīng)信號(hào)的大小反映了鋼球9與電磁鐵1之間的距離X的變化。所述強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括CAN總線13以及與之連接的第一 CAN節(jié)點(diǎn)12、第二 CAN節(jié)點(diǎn)4、第三CAN節(jié)點(diǎn)8和第四CAN節(jié)點(diǎn)14。所述第三CAN節(jié)點(diǎn)8依次連接繼電器7和光源6，并控制該光源6的開啟與關(guān)閉。所述第一 CAN節(jié)點(diǎn)12依次連接A/D轉(zhuǎn)換器11、處理電路10和光電位置傳感器5。 由該光電位置傳感器5檢測(cè)得到的鋼球9與電磁鐵1之間的距離信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器11進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理電路10的信號(hào)處理后形成數(shù)字信號(hào)，然后傳送到現(xiàn)場(chǎng)CAN總線13。所述第二 CAN節(jié)點(diǎn)4是執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，輸出到電磁鐵1以控制電磁力F的大小。該第二 CAN節(jié)點(diǎn)4依次連接D/A轉(zhuǎn)換器3、驅(qū)動(dòng)電路2和電磁鐵1，其從CAN總線13上接收到鋼球9的位置信號(hào)后，據(jù)此計(jì)算出控制量，并通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出到驅(qū)動(dòng)電路2，從而控制電磁鐵1繞組中的電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵1電磁力F大小的控制。所述第四CAN節(jié)點(diǎn)14為現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口卡，與監(jiān)控PC機(jī)15連接，該第四CAN 節(jié)點(diǎn)14是監(jiān)控PC機(jī)15實(shí)現(xiàn)CAN通信的橋梁，所述監(jiān)控PC機(jī)15對(duì)全系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與維護(hù)，獲取錯(cuò)誤信息，并在顯示器上顯示。所述四個(gè)現(xiàn)場(chǎng)CAN節(jié)點(diǎn)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)CAN總線13網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，其中第一 CAN節(jié)點(diǎn) 12、第二 CAN節(jié)點(diǎn)4和第三CAN節(jié)點(diǎn)8具有相同的組成模式，可互換位置，都能進(jìn)行磁懸浮系統(tǒng)控制算法的實(shí)時(shí)計(jì)算，可在組態(tài)過(guò)程中設(shè)定其中之一完成控制運(yùn)算。第一 CAN節(jié)點(diǎn)12 主要完成模擬輸入功能，其輸出通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)CAN總線13傳送到其它節(jié)點(diǎn)；第二 CAN節(jié)點(diǎn)4主要完成控制運(yùn)算和模擬輸出功能，控制算法模塊的輸入是從現(xiàn)場(chǎng)CAN總線13上接收到的第一 CAN節(jié)點(diǎn)12的輸出，算法參數(shù)可由監(jiān)控PC機(jī)15通過(guò)接口卡與現(xiàn)場(chǎng)CAN總線13通過(guò)非周期通信方式來(lái)設(shè)置，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)模擬輸出模塊輸出控制電壓。所述第一 CAN節(jié)點(diǎn)12、第二 CAN節(jié)點(diǎn)4和第三CAN節(jié)點(diǎn)8之間通過(guò)CAN總線13通信構(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F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)。本實(shí)用新型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)， 其功能塊的組合及信號(hào)傳遞過(guò)程如圖2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。所述第一 CAN節(jié)點(diǎn)12通過(guò)模擬輸入(Al)模塊采集鋼球9位置信號(hào)，其結(jié)果通過(guò)CAN總線13傳送到第二 CAN節(jié)點(diǎn)4 ；第二 CAN節(jié)點(diǎn)4包括PID 模塊和模擬輸出(AO)模塊，PID模塊接收到鋼球9位置信號(hào)后，進(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)果通過(guò)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))是由監(jiān)控PC機(jī)15通過(guò)非周期通信方式來(lái)設(shè)置。所述第一 CAN節(jié)點(diǎn)12、第二 CAN節(jié)點(diǎn)4和第三CAN節(jié)點(diǎn)8采用同一結(jié)構(gòu)的CAN節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)參閱圖3，該三個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)12、4和8采用ARM7微處理器LPC2^2，其還包括外圍電路 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)換電路和繼電器控制電路。該三個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)12、4和8從數(shù)據(jù)獲取、總線通信、控制運(yùn)算、到控制鋼球9動(dòng)作， 所用時(shí)間總和小于1.細(xì)s，將實(shí)時(shí)控制周期選為3ms時(shí)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為士 1. 8%。所述A/D轉(zhuǎn)換電路原理如圖4所示，其采樣周期為:3ms?？刂破鱈PC2292執(zhí)行一條
向外部存儲(chǔ)器的地址讀訪問的語(yǔ)句，此時(shí)&上的信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，可以觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過(guò)程需要2. 2 μ s來(lái)完成，結(jié)束后，WM端上由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)LPC2292上的外部中斷0，這時(shí)就可以通過(guò)數(shù)據(jù)總線將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀出來(lái)。所述D/A轉(zhuǎn)換電路原理如圖5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。所述繼電器控制電路原理如圖6所示，當(dāng)LPC2292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。所述CAN通信硬件電路原理如圖7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。總線為了提高系統(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，這樣可以避免周期型數(shù)據(jù)的傳輸被干擾。現(xiàn)場(chǎng)CAN總線13采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通信系統(tǒng)的基本周期為:3ms，其通信方法為首先由第一CAN節(jié)點(diǎn)12發(fā)送周期型數(shù)據(jù)，即通過(guò)光電位置傳感器5采樣到的鋼球9的位置，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，其它節(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)的其它時(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(lái)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)。因此本實(shí)用新型通過(guò)提供一段時(shí)間的空閑時(shí)隙，來(lái)讓總線“空閑”下來(lái)，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。通信數(shù)據(jù)幀對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一致性和完整性，在穩(wěn)定狀態(tài)下，總線負(fù)載率僅為4. 48%，最大負(fù)載率為4. M%。即使有事件觸發(fā)型數(shù)據(jù)需要傳送，通信響應(yīng)周期也可控制在3ms之內(nèi)。第四CAN節(jié)點(diǎn)14連接監(jiān)控PC機(jī)15與CAN總線13。監(jiān)控PC機(jī)15通過(guò)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(guò)解析從CAN總線 13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。綜上所述，本實(shí)用新型所述強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將鋼球9、光源6 和電磁鐵1作為被控對(duì)象，運(yùn)用四個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)和控制器局域網(wǎng)組成分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)；光源6和光電位置傳感器5組成無(wú)接觸測(cè)量裝置，檢測(cè)鋼球9與電磁鐵1之間的距離， 該信號(hào)經(jīng)總線節(jié)點(diǎn)采樣處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號(hào)，并傳送到CAN總線13網(wǎng)絡(luò)；電磁鐵 1的控制節(jié)點(diǎn)從CAN總線13上接收到鋼球9的位置信號(hào)后，進(jìn)行控制運(yùn)算，把計(jì)算結(jié)果作為控制量輸出到電磁鐵1的驅(qū)動(dòng)電路2，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁力F的控制；光源6的開啟與關(guān)閉由繼電器控制節(jié)點(diǎn)完成；系統(tǒng)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)控與維護(hù)由帶有控制器局域網(wǎng)接口卡的監(jiān)控PC機(jī) 15實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求1.一種強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于磁懸浮光電控制裝置，該磁懸浮光電控制裝置包括電磁鐵、光源、鋼球和光電位置傳感器，其特征在于，該現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括與CAN總線連接的第一 CAN節(jié)點(diǎn)、第二 CAN節(jié)點(diǎn)、第三CAN節(jié)點(diǎn)和第四CAN節(jié)點(diǎn)，所述第三CAN節(jié)點(diǎn)依次連接繼電器和光源，并控制該光源的開啟與關(guān)閉，所述第一 CAN節(jié)點(diǎn)依次連接A/D轉(zhuǎn)換器、處理電路和光電位置傳感器，并檢測(cè)所述鋼球與電磁鐵之間的距離信號(hào)且傳送到所述CAN總線，所述第二 CAN節(jié)點(diǎn)依次連接D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路和電磁鐵，并控制該電磁鐵電磁力的大小，所述第四CAN節(jié)點(diǎn)連接對(duì)全系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與維護(hù)的監(jiān)控PC機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一 CAN節(jié)點(diǎn)、第二 CAN節(jié)點(diǎn)和第三CAN節(jié)點(diǎn)采用同一結(jié)構(gòu)的CAN節(jié)點(diǎn)，其包括微處理器 LPC2292、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)換電路和繼電器控制電路。
專利摘要一種強(qiáng)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于磁懸浮光電控制裝置，該裝置包括電磁鐵、光源、鋼球和光電位置傳感器，該現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括與CAN總線連接的第一CAN節(jié)點(diǎn)、第二CAN節(jié)點(diǎn)、第三CAN節(jié)點(diǎn)和第四CAN節(jié)點(diǎn)，第三CAN節(jié)點(diǎn)依次連接繼電器和光源，并控制該光源的開啟與關(guān)閉，第一CAN節(jié)點(diǎn)依次連接A/D轉(zhuǎn)換器、處理電路和光電位置傳感器，并檢測(cè)所述鋼球與電磁鐵之間的距離信號(hào)且傳送到CAN總線，第二CAN節(jié)點(diǎn)依次連接D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路和電磁鐵，并控制該電磁鐵電磁力的大小，第四CAN節(jié)點(diǎn)連接對(duì)全系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與維護(hù)的監(jiān)控PC機(jī)。本實(shí)用新型具有開放性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)分散、抗干擾能力強(qiáng)、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05B19/418GK202058024SQ201120105059
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者仇林至, 尚雯雯, 張鳳登, 張勇 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)