強實時控制應用的現場總線實驗系統的製作方法

2023-06-16 04:58:46

專利名稱：強實時控制應用的現場總線實驗系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種分布式強實時控制系統，特別涉及一種強實時控制應用的現場總線實驗系統。
背景技術：
磁懸浮控制技術是集電磁學、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、響應時間短等優點。近年來，伴隨其它技術的發展， 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。 國外在進行磁懸浮控制研究的初始階段，大多數是在磁懸浮小球控制裝置上展開的，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，出現了分布式實時控制系統，這種建立在現場CAN總線基礎上的控制系統，在結構和性能有了飛躍性的變化。 然而在磁懸浮球控制系統的研究方面，國內大部分還只是採用集中式控制系統，將系統應用於控制算法的研究，而集中式控制系統具有網絡化程度低、可靠性差、經濟性差的缺點。

實用新型內容本實用新型是針對控制技術由直接數字控制、集中式控制所存在的缺陷，提供一種建立在控制器區域網基礎上的用於磁懸浮球控制裝置的強實時控制應用的現場總線實驗系統，其通過實現總線通信方法使系統網絡化、分散化，提高了系統的開放性、可靠性、可維護性、經濟性等。本實用新型的技術方案為一種強實時控制應用的現場總線實驗系統，用於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，其特徵在於，該現場總線實驗系統包括與CAN總線連接的第一 CAN節點、第二 CAN節點、第三CAN節點和第四CAN節點，所述第三CAN節點依次連接繼電器和光源，並控制該光源的開啟與關閉，所述第一 CAN節點依次連接A/D轉換器、處理電路和光電位置傳感器，並檢測所述鋼球與電磁鐵之間的距離信號且傳送到所述CAN總線，所述第二 CAN節點依次連接D/A轉換器、驅動電路和電磁鐵，並控制該電磁鐵電磁力的大小，所述第四CAN節點連接對全系統運行情況進行實時監控與維護的監控PC機。本實用新型所述強實時控制應用的現場總線實驗系統的第一 CAN節點、第二 CAN 節點和第三CAN節點採用同一結構的CAN節點，其包括微處理器LPC2^2、復位電路、晶振電路、穩壓電路、CAN通信硬體電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路和繼電器控制電路。本實用新型是一種強實時控制應用的現場總線實驗系統，其有益效果在於簡化了系統結構，提高了可靠性，具有較強的抗幹擾能力；本實用新型是一個開放的系統，可以與任何遵守CAN總線協議的其它設備或系統連接，其將傳感測量、工程量處理與控制運算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，可進行控制算法研究，並可在線診斷設備的運行狀態。

圖1為本實用新型的結構示意圖。圖2為本實用新型功能塊的組合圖。圖3為本實用新型的CAN節點硬體構成框圖。圖4為本實用新型的A/D轉換器電路原理圖。圖5為本實用新型的D/A轉換器電路原理圖。圖6為本實用新型的繼電器控制電路原理圖。圖7為本實用新型通信電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。首先請參閱圖1本實用新型的結構示意圖，圖示強實時控制應用的現場總線實驗系統用於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置於懸浮鋼球9的左右兩側，所述電磁鐵 1位於該鋼球9的上方，其產生的電磁力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於平衡狀態。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發生變化，從而光電位置傳感器5因此所產生的感應信號就也會發生變化。換言之，光源6和光電位置傳感器5組成了懸浮鋼球9位置的無接觸測量裝置，該光電位置傳感器5上感應信號的大小反映了鋼球9與電磁鐵1之間的距離X的變化。所述強實時控制應用的現場總線實驗系統包括CAN總線13以及與之連接的第一 CAN節點12、第二 CAN節點4、第三CAN節點8和第四CAN節點14。所述第三CAN節點8依次連接繼電器7和光源6，並控制該光源6的開啟與關閉。所述第一 CAN節點12依次連接A/D轉換器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檢測得到的鋼球9與電磁鐵1之間的距離信號，經A/D轉換器11進行模數轉換和處理電路10的信號處理後形成數位訊號，然後傳送到現場CAN總線13。所述第二 CAN節點4是執行器節點，負責將控制信號轉換成模擬電壓信號，輸出到電磁鐵1以控制電磁力F的大小。該第二 CAN節點4依次連接D/A轉換器3、驅動電路2和電磁鐵1，其從CAN總線13上接收到鋼球9的位置信號後，據此計算出控制量，並通過D/A 轉換器3轉換成模擬信號輸出到驅動電路2，從而控制電磁鐵1繞組中的電流，實現對電磁鐵1電磁力F大小的控制。所述第四CAN節點14為現場總線通信接口卡，與監控PC機15連接，該第四CAN 節點14是監控PC機15實現CAN通信的橋梁，所述監控PC機15對全系統運行情況進行實時監控與維護，獲取錯誤信息，並在顯示器上顯示。所述四個現場CAN節點通過現場CAN總線13網絡傳遞信息，其中第一 CAN節點 12、第二 CAN節點4和第三CAN節點8具有相同的組成模式，可互換位置，都能進行磁懸浮系統控制算法的實時計算，可在組態過程中設定其中之一完成控制運算。第一 CAN節點12 主要完成模擬輸入功能，其輸出通過現場CAN總線13傳送到其它節點；第二 CAN節點4主要完成控制運算和模擬輸出功能，控制算法模塊的輸入是從現場CAN總線13上接收到的第一 CAN節點12的輸出，算法參數可由監控PC機15通過接口卡與現場CAN總線13通過非周期通信方式來設置，運算結果通過模擬輸出模塊輸出控制電壓。所述第一 CAN節點12、第二 CAN節點4和第三CAN節點8之間通過CAN總線13通信構成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於平衡狀態。本實用新型的PID閉環控制系統， 其功能塊的組合及信號傳遞過程如圖2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連結。所述第一 CAN節點12通過模擬輸入(Al)模塊採集鋼球9位置信號，其結果通過CAN總線13傳送到第二 CAN節點4 ；第二 CAN節點4包括PID 模塊和模擬輸出(AO)模塊，PID模塊接收到鋼球9位置信號後，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 (比例係數)、Ki (積分時間常數)、Kd(微分時間常數)是由監控PC機15通過非周期通信方式來設置。所述第一 CAN節點12、第二 CAN節點4和第三CAN節點8採用同一結構的CAN節點，請參閱圖3，該三個CAN節點12、4和8採用ARM7微處理器LPC2^2，其還包括外圍電路 復位電路、晶振電路、穩壓電路、CAN通信硬體電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路和繼電器控制電路。該三個CAN節點12、4和8從數據獲取、總線通信、控制運算、到控制鋼球9動作， 所用時間總和小於1.細s，將實時控制周期選為3ms時，控制系統的穩態誤差為士 1. 8%。所述A/D轉換電路原理如圖4所示，其採樣周期為:3ms。控制器LPC2292執行一條
向外部存儲器的地址讀訪問的語句，此時&上的信號變為低電平，可以觸發A/D轉換。轉換過程需要2. 2 μ s來完成，結束後，WM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。所述D/A轉換電路原理如圖5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。所述繼電器控制電路原理如圖6所示，當LPC2292的GPIO 口 P0. 4為高電平時，三極體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。所述CAN通信硬體電路原理如圖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。總線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，這樣可以避免周期型數據的傳輸被幹擾。現場CAN總線13採用總線拓撲結構，通信系統的基本周期為:3ms，其通信方法為首先由第一CAN節點12發送周期型數據，即通過光電位置傳感器5採樣到的鋼球9的位置，其他節點接收到該數據幀之後，將其作為參考幀，同步本地時鐘，此刻開始的2ms為仲裁窗， 可以發送事件觸髮型數據。具體實現方法是，其它節點可以啟動一個定時器，在2ms之內如果有事件觸髮型數據需要發送，則發送數據，基本周期內的其它時間如果有數據需要發送，則需要等到下一個周期。空餘時隙大約有0. 8ms，主要是用來防止仲裁窗發生數據幀衝突而導致低優先級的數據幀在仲裁窗沒有發送完。由於CAN是不能取消發送的，而且如果出錯還會自動重發。因此本實用新型通過提供一段時間的空閒時隙，來讓總線「空閒」下來，這樣可以防止其幹擾時間觸髮型數據的發送，保障其實時性。通信數據幀對每個節點具有一致性和完整性，在穩定狀態下，總線負載率僅為4. 48%，最大負載率為4. M%。即使有事件觸髮型數據需要傳送，通信響應周期也可控制在3ms之內。第四CAN節點14連接監控PC機15與CAN總線13。監控PC機15通過磁懸浮球控制系統軟體，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 13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，並可以實現PID控制器的參數設置。該控制系統軟體能夠提供人機互動的良好界面。綜上所述，本實用新型所述強實時控制應用的現場總線實驗系統將鋼球9、光源6 和電磁鐵1作為被控對象，運用四個現場總線節點和控制器區域網組成分布式實時控制系統；光源6和光電位置傳感器5組成無接觸測量裝置，檢測鋼球9與電磁鐵1之間的距離， 該信號經總線節點採樣處理、模數轉換後形成數位訊號，並傳送到CAN總線13網絡；電磁鐵 1的控制節點從CAN總線13上接收到鋼球9的位置信號後，進行控制運算，把計算結果作為控制量輸出到電磁鐵1的驅動電路2，實現對電磁力F的控制；光源6的開啟與關閉由繼電器控制節點完成；系統運行情況實時監控與維護由帶有控制器區域網接口卡的監控PC機 15實現。
權利要求1.一種強實時控制應用的現場總線實驗系統，用於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，其特徵在於，該現場總線實驗系統包括與CAN總線連接的第一 CAN節點、第二 CAN節點、第三CAN節點和第四CAN節點，所述第三CAN節點依次連接繼電器和光源，並控制該光源的開啟與關閉，所述第一 CAN節點依次連接A/D轉換器、處理電路和光電位置傳感器，並檢測所述鋼球與電磁鐵之間的距離信號且傳送到所述CAN總線，所述第二 CAN節點依次連接D/A轉換器、驅動電路和電磁鐵，並控制該電磁鐵電磁力的大小，所述第四CAN節點連接對全系統運行情況進行實時監控與維護的監控PC機。
2.根據權利要求1所述的強實時控制應用的現場總線實驗系統，其特徵在於，所述第一 CAN節點、第二 CAN節點和第三CAN節點採用同一結構的CAN節點，其包括微處理器 LPC2292、復位電路、晶振電路、穩壓電路、CAN通信硬體電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路和繼電器控制電路。
專利摘要一種強實時控制應用的現場總線實驗系統，用於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，該現場總線實驗系統包括與CAN總線連接的第一CAN節點、第二CAN節點、第三CAN節點和第四CAN節點，第三CAN節點依次連接繼電器和光源，並控制該光源的開啟與關閉，第一CAN節點依次連接A/D轉換器、處理電路和光電位置傳感器，並檢測所述鋼球與電磁鐵之間的距離信號且傳送到CAN總線，第二CAN節點依次連接D/A轉換器、驅動電路和電磁鐵，並控制該電磁鐵電磁力的大小，第四CAN節點連接對全系統運行情況進行實時監控與維護的監控PC機。本實用新型具有開放性強、可靠性高、結構分散、抗幹擾能力強、安裝維護方便等優點。
文檔編號G05B19/418GK202058024SQ201120105059
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月12日 優先權日2011年4月12日
發明者仇林至, 尚雯雯, 張鳳登, 張勇 申請人:上海理工大學