（机械电子工程专业论文）基于can总线的电液伺服控制器的设计.pdf

兰州理工大学硕士论文 y 厶上u 摘要 现场总线控制系统f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 适应了工业控制系统向 分散化、网络化、智能化发展的方向，导致了传统控制系统结构的变革。现场总 线( f i e l db u s ) 是现场总线控制系统的核心。 本文首先阐述了现场总线的技术特点、发展背景与趋势，介绍了液压行业中 现场总线国内外发展概况，指出在液压控制系统引入现场总线技术的必要性和重 要性。 在对现场总线技术探讨的基础上，重点研究了控制器局域c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线，介绍了它的基本原理与技术规范以及比较流行的c a n 控制 器芯片s j a l 0 0 0 和接口芯片8 2 c 2 5 0 ，具体讨论了c a n 总线的硬件接口电路、控 制系统的总体结构及软件功能，并设计了一个基于c a n 总线的电液伺服控制器。 关键字：现场总线，c a n 总线，电液伺服系统，单片机 兰州理工大学硕士论文 a b s t r a c t f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) f i t si nw i t ht h ei n d u s t r yc o n t r o l s y s t e m sd e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t i o n ，n e ta n di n t e l l e c t i th a sb r o u g h t a b o u tr e v o l u t i o nt ot r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m t h et h e s i sf i r s ti n t r o d u c e s b a c k g r o u n da n dt r e n d o ff i e l d t h et e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c t h e b u st e c h n o l o g ya n d t h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lg e n e r a ls i t u a t i o no ft h ea p p l i c a t i o nf i e l db u st ot h e h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m i tp o i n t e do u t t h en e c e s s i t ya n di m p o r t a n c eo f i n t r o d u c i n gf i e l db u st e c h n o l o g yi n t h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m t h e ni tf o c u s e do ni n t r o d u c i n gc a np r o t o c o la n dc a nc o n t r o lc h i ps j a l 0 0 0 a n dc a ni n t e r f a c ec h i p8 2 c 2 5 0 a tl a s t ，i ti n t r o d u c e dh o wt os e tu pa e l e c t r i c h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a n i tg i v e sad e t a i l e d d e s c r i p t i o no fs o f t w a r e ，h a r d w a r eo ft h ee l e c t r i c - h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o l s y s t e m k e y w o r d s ：f i e l db u s ，c a n ，e l e c t r i c - h y d r a u l i cs e r v os y s t e m ，s i n g l e - c h i p 兰州理工大学硕士论文 1 1 现场总线的产生背景 第一章绪论 随着微处理器和计算机功能的增强和价格的降低，计算机网络得到高速的发 展，而处于生产过程控制底层的测控自动化系统仍采用一对一连接，用电压、电 流的模拟信号进行测量和控制，难以实现设备与设备之间以及系统与外界之间的 信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成和综合 自动化，就必须设计出一种造价低廉而又能经受工业现场环境的通信系统。现场 总线就是在这种背景下应运而生的“1 。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、 制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互联通信网络。它作为工厂数字 通信网络的基础，沟通了生产过程现场、控制设备之间及其与更高控制管理层次 之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放的新型全分布控制系统。 这项以智能传感器、控制器、计算机和数字通信为主要内容的综合技术，已受到 世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点。 国外专家预言，2 l 世纪将是现场总线的世纪。在未来的1 0 年间，现场总线产品 将全面取代现有的模拟现场产品o “。我国规划到2 0 0 5 年在技术上基本完成从目 前模拟现场设备到基于现场总线的全数字化设备的转化，后者的市场占有率要达 至6 0 9 6 以上黼。 现场总线是指在制造过程控制领域( 指现场) 的主要自动化装置和生产控 制领域( 控制室) 的自动化控制设备之间共用通信媒体进行双向传输，同时也能 实现可寻址现场设备多点连接伽，简单地说现场总线是连接设置在工业现场的仪 表与设置在控制室内控制设各的数字化、串行、双向、多站通信网络”- 町。 现场总线控制系统f c s 是基于现场总线技术，将控制功能完全下放到低层网 络控制节点以实现对现场仪表和设备的控制操作，各控制点按照公开、规范的通 信协议经现场总线连成网络控制系统，以实现现场设备之间、现场设备与外界之 间的信息交换，并能够进行统一操作、管理的控制系统。其拓扑结构见图1 1 。 现场总线不单是一种通信技术，也不单是数字仪表代替模拟仪表。它是用新 一代的现场总线控制系统f c s 代替传统的分布式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) ，实现现场通信网络、计算机技术与控制系统的集成。 1 2 现场总线系统的技术特色 l2 1 现场总线系统的技术特点 现场总线控制系统采用具有数字通信能力的仪表作为现场设备，用一对双绞 线连接多个现场总线，形成总线分布式结构，改交了模拟系统中设备一对一的连 接方式，简化了系统结构。由于现场智能仪表集检测、转换、计算、控制、通信 等功能于一体，因此，传统系统的输入输出功能和控制站的控制功能可分散在各 现场智能设备上。 兰州理工大学硕士论文 现场总 点到点型 带节点总钱 菊花链型 树型 图卜1 现场总线控制系统结构图 图卜2 是现场总线控制系统和传统控制系统的结构对比。我们可以看到，现场 总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式：传统模拟控制系统主要采用 d c s ( 分布式控制系统) ，实行一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于 现场的测量变送器与位于控制室的控制器间，控制器与位于现场的开关、液压缸、 电液伺服阀等执行器之间均是一对一连接。现场总线控制系统采用了智能现场设 备，把控制功能直接置于现场设备之中，把控制功能、各输入模块移至现场，实现 了彻底的分散控制。 ( a ) 圈1 2 现场总线控制系统和传统控制系统结构比较 ( a ) 现场总线控制系统；( ”传统分布式控制系统 和分布式控制系统d c s 相比，现场总线控制系统具有以下特点“”： 1 用数字信号完全代替传统d c s 的4 - 2 0 m a 模拟信号“4 1 ”，且双向传递信号 传统控制系统的现场设各与控制设备是通过一对一的方式( 一个i o 点对现 场设备的一个测控点) 连接，即所谓i o 接线方式，信号以4 2 0 m a ( 传送模拟信号) 或2 4 v d c ( 传送开关量信号) 传递。现场总线控制系统用一条通信电缆或一对双绞 兰州理工大学硕士论文 线连接多个设备，通过数字化通信完成对现场设备的联络和控制。因而电缆、端 子、槽盒的用量大为减少，连接设计和接头校对工作量也大为减少。 2 集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体 现场总线技术通过计算机数字通信技术连接现场设备，操作人员在控制室里 就能通过主控系统实现对现场设备的在线监视、故障诊断、校验和参数信息的校 验和整定，从而提高了系统的精度、可监视性和抗干扰能力，节省了硬件数量和 投资。 3 控制功能下移，实现彻底的分散控制 相对于传统的d c s 结构而言，现场总线在结构上只有现场设备和操作管理站 两个层次，将传统d c s 的i o 控制站并入现场智能设备，取消了i o 模块。现场仪 表都是内装有微处理器的，它们各自进行采样、a d 转换、线性化或校正运算处 理、报警判断以及控制算法功能等，输出的结果直接送到邻近的调节阀上，完全 不需要经过控制室的主控系统，把传统韵d c s 集中和分散相结合的集散控制系统 结构变成新型全分布结构，实现结构上彻底的分散，提高了控制系统的可靠性、 自治性和灵活性。 4 真正的开放式系统 现场总线为开放式互连网络，所有技术和标准都是公开的，用户可以按自己 的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成规模各异的系统。现场总线控制系 统是自动化领域的开放互连系统，其开放性和互操作性体现在可以用不同厂家的 现场仪表去替换出现故障的另一家的现场仪表，更换后通信能够恢复正常，同时 又可以查询新的现场仪表的自身信息。 1 2 2 现场总线系统的优势“” l - 节省硬件数量与投资 现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和 计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也 不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用 工控p c 机作为操作站，从而节省了硬件投资，并减少了控制室的占有面积。 2 节省安装、维护费用 现场总线的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上可以挂接多台设备，故 可节省大量的电缆、端予，因而连线设计与接头校对的工作量也可大大减少。当 需要增加现场控制设备时，无需增加新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既 节省了投资，也减少了安装的工作量。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障 处理能力并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室。用户可以查询所 有设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护 时间，减少了维护的工作量。 3 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择遵从相同协议的不同厂家的产品来集成系统，避免了因选 择了某一品牌的产品而被限制了使用设备的选择范围，不会在系统币出现因协 议、接口而带来的不兼容，使系统集成过程中的主动权始终掌握在用户手中。 4 提高了系统的准确性与可靠性 现场总线设备的智能化和数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与 控制的精确度，减少了传递误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少， 兰州理工大学硕士论文 现场仪表内部功能的加强，减少了信号的往返传输：提高了系统的可靠性。 此外，由于现场总线的设备标准化、功能模块化，因而现场总线系统还具有 设计简单，易于重构等优点。 1 3 当前流行的几种现场总线 l 。c a n 总线( c o n t r o la r e an e t w o r k s ) “” c a n 总线标准最早由德国b o s c h 公司推出，起初是专门为汽车工业设计的， 目的是为了节省接线的工作量。目前已由i s o t c 2 2 技术委员会批准为国际标准 i s 0 1 1 8 9 8 ( 通信速率 lb l b p s ) 和i s 0 1 1 5 1 1 9 ( 通信速率 0 7 5 i m l o 刖 斜率控制 l 叫 一k 2 0 0 i 10 4 0 时) ，则l 、a 对2 均大于零，即输出功率c 大于输入功率 ，这显然是不可能的，违背了能量守恒定律，只能导致伺服阀不能驱动液压 缸，若能驱动，那可能是设计中余量过大所致，恰恰是这一点，误导人们将非优 化设计视为是优化设计。由此可见，在上述两种定义基础上建立起来的数学模型、 特性研究和优化设计需进一步探讨。 由( 3 3 ) 式可知c 可表示为 c = q i ( e q 2 b 岛) = 只( q l q 2 与，只) 在理想条件下，液压缸的输入功率和输出功率相等即n c = ，则负载压力r 和负载流量q 可分别定义为 f 最= 以一鸩 i 纯= q l ( 3 4 ) 即取液压缸进液腔流量为负载流量q ，取b 与折算后的是的差值为负载压 力只。若液压缸是对称的，唧力= 1 ，则鸟= q ，见= q = 奶= ( 9 + 0 0 2 ， 吃= 鼻一是，可见对称液压缸的圪和吼可应用非对称情形下的定义，阀控对称 缸是阀控非对称液压缸的特例，本文定义的最和骁对非对称和对称动力结构均 1 7 兰州理工大学硕士论文 适用，具有普遍意义。 3 2 阀控缸的数学模型及传递函数1 假定阀匹配对称，阀口处流动为紊流，供油压力b 恒定，温度和密度均为 常数，且不考虑管道的动态损失，则对称四通阀控非对称液压缸的动态特性可由 伺服阀流量方程、伺服阀一液压缸流量连续方程和液压缸力平衡方程等描述。 1 、伺服阀流量方程 按照零开口滑阀计算，分两种情况可得： r r=一2 r 蛋p 引 阻。， lq 2 a 硝r 归p 2 i 式中。为流量系数、“为阀的面积梯度、p 为液体密度，q i 、q 2 分别为阀 口1 、阀v 1 2 的流量x ，为阀芯位移。 2 、液压缸的连续性方程 q l _ ( 丑一只) + 日+ 鲁鲁扣d 防r , q 2 咆( 互只) 一昱+ 毫等一等 式中 k = k 。+ 4 l x ，为进液腔( 包括阀、连接管路和工作腔) 容积； = 一4 _ 0 ，为回液腔( 包括阀、连接管路和工作腔) 容积； 贝0 吃= 4 1 2 ，唬= 一4 更， 石，一活塞输出位移，岩，= 警= y ； c 。一液压缸内泄漏系数； c 。一液压缸外泄漏系数： 且有效体积弹性模量( 包括阀、连接乍 銎鲫进油腔) ： 若不计液压缸泄漏和油液被压缩而引起的流量变化则 q l = 吒= 警 ( 3 _ 6 ) 兰州理工大学硕士论文 q 2 = 一圪= 一警 代入。一s 试并取鲁得鲁= 彘一鲁= 鲁钏 即p 2 t 力2 ( p s 一日) 联立( 3 4 ) 和( 3 7 ) 式可求得， i 丑= ( n 3 p s + p l ) ，( 1 + 以3 ) 【b = 行2 ( p s r ) ，( 1 + 矿) 按本定义绕= q 1 ，将( 3 8 ) 式代入( 3 6 ) 式并整理得 姥= q 1 = 巴兄+ g b + 告警“，譬 式中c ：等效泄漏系数，c 。= 【c p ( 1 + 玎2 ) + c 口】( 1 + 矿) ； 巳一附加泄漏系数，c 册= , i 2 【( q + 加一o 】( 1 + 刀3 ) ； 巧等效总容积， k = 南。 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 3 、伺服阀负载流量方程的线性化 按定义，由( 3 - 5 ) 和( 3 - 8 ) 式得伺服阀负载流量方程为： 骁= q l 蚂硝一竽= 吗厉 式中口= 巳2 而 则线性化方程为 q = k q x r t 墨 ( 3 - 1 0 ) 式中k 流量增益，k q = 盯b 一圪 k 一流量压力系数，k = 妻a 搿，巧= i 4 、负载压力方程( 液压缸力平衡方程) 如图3 一l 所示，活塞上动力平衡方程为 兰，h 理工大学硕士论文 4 e 一彳2 忍= 爿。最= 磁p + 戤尸+ 麒，+ 瓦( f ) ( 3 1 1 ) 式中肘一活塞及折算到活塞上的质量； b 一阻尼系数； 足一弹性刚度： 最( 0 一外负载。 3 3 非对称液压缸的传递函数 ( 3 9 ) 、( 3 一1 0 ) 和( 3 一1 1 ) 三个基本方程确定了阀控液压缸的动态特性，分别 对三个方程进行拉普拉斯变换得 矿 吼2 巳兄+ c p s + 葱兄3 + 4 砟j ( 3 - 1 2 ) 甄=kqxr一屯最(3-13) 硼，= 杀蒜一阻 若阀控液压缸机构为位置控制的功率输出元件，通常无弹性负载，即k ：0 ， 且常有号 “1 则上式可简化成 液压固有频率，钝= ( 3 - 1 6 ) 量 警 兰州理工大学硕士论文 六一液压= 鲁厣喑厩： 3 4 数字p i d 控制算法m p i d 调节控制律之所以经久不衰，即使在数字化的计算机时代仍能得到广泛 的应用，主要有下面几点： l 、技术成熟 p i d 调节是连续系统理论中技术最成熟，且应用最广泛的一种控制方法，它 的结构灵活，不仅可以用常规的p i d 调节，而且可根据系统的要求，采用各种p i d 的变种，如p i ，p d 控制，不完全微分控制，积分分离式p i d 控制等等。在p i d 控制 系统中，系统参数整定方便，而且在大多数工业生产过程中效果比较好。生产技 术人员及操作人员都比较熟悉它，并在实践中积累了丰富的经验，特别是一些工 作时间比较长的工程技术人员更是如此。 2 、不需要求出数学模型 到目前为止，仍有许多工业对象得不到或很难得到精确的数学模型，因此， 运用直接数字控制方法比较困难或根本不可能，所以不得不采用p i d 算法。 3 、控制效果好 虽然计算机控制是断续的，但对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连 续变化。因此，用数字p i d 完全可以代替模拟调节器，而且能得到比较满意的结 果。所以，用数字模拟p i d 调节器仍是目前应用比较广的方法之一。 p i d 控制算法是应用较为广泛的一种控制算法，p i d 控制表示比例 ( p r o p o r t i o n a l ) 一积分( i n t e g r a l ) 微分( d i f f e r e n t i a l ) 控制。控制器的输出 与输入之间的关系如下： r1 “( f ) ：足p ie ( f ) + 彳1r e ( f ) 防+ 乃掣l ( 3 1 7 ) 式中”控制器的输出； e ( f ) 控制器的输入o p i d 控制器各校正环节的作用如下： 1 比例环节即成比例地反映控制系统的偏差信号e ( f ) ，偏差一旦产生，控制 器立即产生控制作用，以减少偏差。 2 积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的精确度。积分作用的强弱取 决于积分时间常数t ，t 越大积分作用越弱，反之则越强。 3 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变得 太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减小调节时间。 在计算机控制系统中使用的是数字p i d ，所以要将上式离散化，离散化后 的p i d 形式常用的有两种类型： 位置式：若p i d 算式运算结果的输出为伺服阀的阀芯位移，则称为位置式 兰州理工大学硕士论文 p i d 算式，其计算公式为： t k ”( 七) = k p p ( f ) + 墨e ( i ) + k d e ( k ) - e ( k 一1 ) 】 f _ 0 式中墨一积分系数，k i = k 。t h ； ( 3 - 1 8 ) 杨微分常数，k d = 置。乃t ； r 采样周期； 该式算出“( 七) 同伺服阀的阀芯位移一一对应。 增量型：若p i d 算式运算结果的输出为伺服阀的阀芯位移的增量，则称为 增量式p i d 算式，其计算公式为： a u ( k ) = k p 【8 ( 七) 一e ( k 一1 ) 】+ 墨e ( 七) - i - 蜀 e ( 七) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) 】( 3 1 9 ) 为了在计算中表示方便，将上式整理成如下形式 a u ( k ) = a e ( k ) + b e ( k - 1 ) + c e ( k 一2 ) ( 3 2 0 ) 其中：a = k p + k i + k d 甲 占= 一( 2 足p 爷+ 鼢 个 c = 巧詈 增量型算法虽然在算法上作了一点改进，却带来了不少优点： ( 1 ) 由于计算机输出增量，所以当存在计算误差或精度不足时对控制量计算 的影响小。 ( 2 ) 手动自动切换式冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故 障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存予乍角，故能仍然保持原值。 ( 3 ) 算式中不需要累加。控制增量血( 七) 的确定，仅与最近k 次的采样值有关， 所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 兰州理工大学硕士论文 图3 - 2 增量式p i d 控制算法流程图 增量式控制也有其不足之处：积分阶段效应大，有静态误差，溢出的影响大。 因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要 求高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器 的系统中，则可采用增量控制算法。 经综合考虑，选用增量式p i d 控制算法，其流程图如图3 - 2 所示。 3 5 本章小结 本章主要针对阀控非对称液压缸伺服系统进行了建模。建模过程中，对常用 两种的负载压力兄和负载流量既定义方式提出z 导议，并按照重新定义进行了 建模，由此得出的传递函数对非对称液压缸和对称液压缸均适用，具有普遍意义 。并根据系统的控制要求，基于鲁棒性和实现简易性方面的考虑，采用位置型 增量式p i d 控制算法以提高整个系统的性能。 兰州理工大学硕士论文 第四章电液伺服控制器硬件结构设计 4 1 电液伺服控制器硬件的功能要求 随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，应用范围的扩大，以及 复杂的环境和任务中普遍存在参数较大幅度变化的非线性和外负载干扰，对电液 伺服控制系统提出了越来越高的要求。如：有较强的智能性；对系统参数的变化、 外负载干扰、交叉耦合以及非线性因素引起的不稳定性有很好的鲁棒稳定性；控 制算法简单、实时性强；在满足稳态精度的条件下，尽可能提高系统的动态特性； 要求控制器能作到快速无超调的控制被控对象等等c 勰一”】。 为了提高电液伺服系统控制性能，已提出了例如鲁棒控制、自适应控制、神 经网络控制、模糊控制及其它智能控制等方法。为了使电液伺服控制系统满足先 进、复杂控制算法的要求，电液伺服控制器必须满足以下要求h 岫： 1 ) 具有快速的信号处理能力，控制系统控制算法中具有复杂的运算过程， 比如说信号滤波、各种控制算法的运算笋等，进行这些运算，需要提高系统快速 运算能力； 2 ) 具有大容量的存储空间。电液伺服控制系统采样频率高，运算量大，数 据吞吐量大，这就要求电液伺服控制系统有较大的存储空间； 3 ) 具有前向通道，具有a d 、d a 转换能力： 4 ) 稳定的性能，电液饲服控制系统要求避免不正常掉电，程序运行跑飞等 功能； 5 ) 简便的人机界面； 6 ) 上位机和下位机之间能够实现通信的功能，上位机能够协调下位机相互 之间的动作，下位机能够及时向上位机传递当前液压缸活塞杆的运动位置、速度 等信息； 7 ) 具有和数字传感器通信的能力。为了避免干扰对模拟量的影响，电液伺 服系统必须具备和数字传感器通信的能力； 8 ) 减轻控制器、电缆以及其它设备的重量。 设计系统时，在保证系统可靠工作的前提下，应使系统具有通用性、实时性 和可扩展性等特点。系统主要由上位机和c a n 控制器构成，包括通用个人计算机、 接至通用p c 内部的一块通信卡和若干个c a n 网节点。在实际的系统中上位机采用 工控机，上位计算机选用p c 机有如下好处：p c 上面有多条扩展槽，利用局域网通 信卡，使得该系统很容易与其他生产部门管理部门联网，便于统一调度和管理。 另外，选用p c 机还可以充分利用现在的软件工具和开发环境，方便快捷地设计功 能丰富的计算机软件。 网络拓扑结构采用总线式结构。这种结构比环形结构信息吞吐率低，但结构 简单、成本低，并且采用无源抽头连结，系统可靠性高。选用c a n 总线连结各个 网络节点，形成多主机控制的局域网。信息传输采用c a n 通信协议，传输介质采 用双绞线。 所设计的基于c a n 总线的控制系统结构“”如图4 2 l 所示。在实际设备中，控制 器应尽可能靠近动力机构，因为控制器需要采集动力机构中位移传感器的输出信 号，如果两者之间比较近，则控制器与动力机构之间的电缆变短，这样模拟信号 传输的距离越短，信号越不容易受外界环境的影响，而且减轻电缆的重量。控制 器与上位机之间采用c a n 总线的联络方式，通过双绞线连接，和电缆相比，双绞 兰，i i 理工大学硕士论文 线要轻的多，这样系统总重量要变轻一些。 i 计算机( 上位机) 2c a n 通信卡3 控制器( 下位机) 4 电液伺服阀5 液压缸 图4 - 1c a n 总线控制系统结 缸闺 4 2c a n 通信卡的选择 c a n 通信卡主要负责上位机和下位机之间的总线通信，选用了北京三纯公 司研发的一块专用c a n 通信卡s c 2 0 1 2 。 s c 2 0 1 2 是双路隔离c a n 总线p c 插卡，p c i 总线采用直接内存映射方式访问c a n 控制器，支持c a n 2 o b 协议。能够提供总线仲裁、错误检测以及数据自动重发功 能。这些功能能够极大地避免数据的丢失和确保系统可靠。s c 2 0 1 2 的最大位速 率可达到lm b p s 。该卡具有编程简单、控制灵活的特点，极大的降低了开发难度 和成本。s c 2 0 1 2 是指定寄存器地址，允许直接访问c a n 控制器。外部光电隔离 保护计算机和设备免受损坏，提高了系统在恶劣环境下的可靠性。 s c 2 0 1 2 的技术指标： ， 可同时操作两路独立的c a n 总线，支持c a n 2 0 b 协议； p c i 总线支持即插即用； 直接内存映射快速访问c a n 控制器； 最高传输速率1 m b p s ( 4 0 m ) ，最远传输距离1 0 l ( i i l ( 小于5 k b p s ) ； 总线隔离1 0 0 0 v d c ： 两个d b 9 针式c a n 总线连接器； 功耗：5 v ，1 5 0 m a ( 典型) 、2 0 0 m a ( 最大) ； 供电电压4 5 v 一5 5 v ； 工作温度0 7 0 。c 。 s c 2 0 1 2 卡为客户提供了5 个接口函数，利用这些函数用户能够方便地使用 卡板，函数名称及功能如下所示： b o o lo p e n ( ) ： 打开s c 2 1 0 2 卡成功返回t r u e b o o lr e s e t ( 1 ：复位c a n 端口成功返回t r u e b o o ls e n d ( 1 ：发送一个c a n 包成功返回t r u e 兰，q 理工大学颈士论文 b o o lr e c e i v e ( ) ：接收一个包成功接收返回t r u e b o o lc l o s e ( ) ： 关闭c a n 卡成功返回t r u e c a n 总线通信卡采用9 针的接头，c a n 接口符合c i a 标准，接口定义如表4 1 ， 在实际应用中可以只连接2 针和7 针，连接的方法见图4 2 。 表4 1c a n 通信卡接口定义 图4 2 通信卡之间的连接方式 4 3 电液伺服控制器的总体设计方案 基于c a n 总线的电液伺服控制器硬件的结构如图4 3 所示。 c n h 图4 3 电液伺服器硬件的结构 本电液伺服控制器在系统中要实现如下功能： 1 接收输入：接收从传感器传来的测量反馈信号，经过模数转换器后变成 数字量，经过数据总线输入到单片机； 2 信号的处理：单片机作为数字阿d 控制器，对输入信号、反馈信号进行数 据采集、转换、计算，完成数字p i d 的算法功能； 3 上、下位机之间的数据通信，下位机接收上位机的指令，同时向上位机 发送各位置状态信息以及下位机之间的通信： 4 产生输出：经过数模转换器后输出模拟电压信号，在经过伺服放大电路 后转换成电流信号，并由此来控制伺服阀驱动液压缸动作； 5 通过单片机及其外围芯片实现读写系统的控制程序和数据。 兰州理工大学硕士论文 4 3 1 微处理器的选择洲 典型的单片机生产厂家多、种类多，性能也各不一样。i n t e l 公司生产的 m c s 一5 1 无论在片内r a m 容量、i o 端口系统扩展能力，还是指令系统和c p u 处理能 力都非常强。由于m c s - 5 1 系列单片机体积小、功能全、廉价、开发应用方便，在 实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等控制应用领域中，是比较理想的8 位机；同时i n t e l 公司的外围配套接口芯片品种齐全，并且接口电路简单，很容 易方便地组成不回的应用系统。 m c s - 5 1 系列单片机包括两个子系列( 5 1 、5 2 系列) 、根据片内r o m 分成三个 类基本型( 8 0 3 1 无r o m 、8 0 5 1 有4 k b 的r o m ，8 0 7 1 有4 k b 的e p r o m ) ，其引脚和指令 系统完全兼容，但在内部结构和性能方面存在一些差异。在本文中采用8 0 5 1 作为 微控制器。 4 3 28 0 5 1 存储器的扩展及看门狗 1 存取器的扩展 由于8 0 5 1 内部有1 2 8 个字节的r a m ，因此在进行简单控制算法时基本够用，但 当使用复杂控制算法时，需要外扩r a m 来满足要求。 r a m 存储器芯片有静态r a m 、动态r a m 两种。静态r a m 特点是不需要刷新，但集 成度低、功耗大，常见类型2 1 2 8 ( 1 6 k ) 、6 1 1 6 ( 1 6 k ) 、6 2 6 4 ( 6 4 k ) 、6 2 2 5 6 ( 1 2 8 k ) ； 动态r a m 特点是集成度高，但需要对信号放大、需要定时充电刷新，常见类型 2 0 1 4 ( 4 k ) 、2 1 0 8 ( 8 k ) 、2 1 1 6 ( 1 6 k ) 、2 1 6 4 ( 6 4 k ) ；由于r a m 用于存放临时数据、变 量、运算结果，通常所需容量不大，可以选用静态r a m ，本文选用6 2 6 4 。 6 2 6 4 是8 k x 8 位的静态随机存储器芯片，它采用c m o s 工艺制造，由单- - + 5 v 供 电，额定功耗为2 0 0 m w ，典型存取时间2 0 0 n s ，为2 8 线双列直插式封装，电路图如 图4 4 所示。 因6 2 6 4 有8 k 容量的r a m ，故用到了1 3 根地址线，有两个片选端，在本电路中 第二片选线c s 2 接高电平，保持一直有效状态。 2 用m a x t 0 6 构成看门狗电路 在程序运行过程中，微处理器有可能因为受到外界干扰而不能正确执行命 令，甚至陷入死循环。为了防止由此导致的系统瘫痪，在电路里加了一个看门狗 电路，其核心芯片是m a x 7 0 6 。 m a x t 0 6 片内看门狗定时器用于监控m p u 眦u 的活动。如果在1 6 s 内w d i 端没有 收到来自m p u m c u 的触发信号，并且w d i 处于非高阻态，则1 】| d o 输出变低。只要复 位信号有效或w d i 输入高阻，则看门狗定时器功能就被禁止，且保持清零和不计 时状态。复位信号的产生会被禁止，可一旦复位信号撤消，并且w d i 输入端检测 到短至5 0 n s 的低电平或高电平跳变，定时器将开始1 6 s 的计时。b p w d i 端的跳变 会使定时器清零并启动一次新的计时周期。 兰州理工大学硕士论文 图4 - 48 0 5 1 存储器的扩展电路图 低电平有效的手动复位输入端a 承) 可被片内2 5 0 m a 的上拉电流源拉到高电 平，并可以被外接c m o s 肿l 逻辑电路或一端接地的按钮开关拉成低电平。不需要 采用外部去抖动电路，理由是最小为1 4 0 m s 的复位时间足以消除机械开关的抖动a 简单地将m r 端连接多j w d o 端，就可以使看门狗定时器超时产生复位脉冲。当需要 高电平有效的复位信号时，选用m a x t 0 6 。 兰州理工大学硕士论文 耒 稳压5 v ， 图4 5m a x t 0 6 典型应用电路 m a x 7 0 6 的典型应用电路如图4 5 所示。从图中可以看出，k a x 7 0 6 仅占用了一 条i 0 端口资源，利用该i 0 口，通过执行软件，周期性地向看门狗发送w d i 信号， 构成了微处理器的一个可靠的保护神。 在本电路中，主要利用m a ) ( 7 0 6 的上电复位、手动复位、看门狗三项功能，在 电路开始供电时，系统进行上电复位；在系统工作过程中，m a x 7 0 6 对系统进行检 测，系统出现故障及时复位；系统需要复位时，使用手动复位功能。 如图所示，单片机不断地通过“i o ”加给1 】d i 脚正脉冲，两次脉冲间不大于 1 6 s ，则w d o 引脚永远为高电平，说明单片机程序执行正常。但是如果单片机 的程序跑飞( 一般是由干扰信号改变了程序计数器内容引起的) ，就不可能在 “i 0 ”发出正脉冲。当两次发出正脉冲的时间间隔大于1 6 s 时，看门狗便使 历石便为低电平，向单片机发送请求中断。一般地，即使程序跑飞，使程序进 入死循环，单片机也能够响应中断。单片机响应瓦面中断后，进入程序跑飞中 断服务程序，使程序正常运行。 4 3 3i o 口地址译码 a y 0 b y 1 c y 2 y 3 y 4 e 1y 5 e 2y 6 e 3y 7 图4 - 6 译码器逻辑符号图 在单片机应用系统中，所有外围芯片都是通过总线与单片机相连，数据传送 兰州理工大学硕士论文 按分时方式进行，因此必须进行片选。由于6 2 6 4 、s j a l 0 0 、a d 6 7 8 、d a c l 2 0 8 、8 1 5 5 等芯片内有多个字节，所以同时还要进行地址选择。地址译码有线选法和全译码 法。本文中采用7 4 l 8 1 3 8 作地址译码器，译码器的3 个输入端与8 0 5 1 - - - 根最高地址 线相连，8 根输出线分别对应于一个8 k 字节的地址空间。7 4 l s l 3 8 译码器的逻辑符 号如图4 6 所示。 4 3 4c a n 总线通信电路的设计 c a n , 总线通信凄口电路主要负责上、下位机通信，接收上位机的指令，同时 向上位机发送各液压缸的位置状态信息及完成行程开关信号调理。 图4 7 为c a n 总线系统通信电路硬件电路图。从图中可以看出，电路主要由c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 、c a n 收发器8 2 c 2 5 0 和高速光电耦合器6 n 1 3 7 三部分构成。通 过s j a l 0 0 0 实现数据的接收和发送等通信任务，s j a 内0 0 的初始化由微处理器8 0 5 1 负责。 s j a i 0 0 0 的a d 0 a d 7 连接至u 8 0 5 1 的p 0 口，c s 连接到的8 0 5 1 的p 1 i 。p i 1 为o 时，c p u 片外存储器可选中s j a l 0 0 0 ，c p u 通过这些地址可对s j h l 0 0 0 执行相应的读 9 操作。s j a l 0 0 0 的足d 、w r 、a l e 分别与8 0 5 1 的对应引脚相连，n t 接8 0 5 1 的 胛0 ，8 0 5 1 通过中断方式访问s j a l 0 0 0 。 为了增强c a n 总线节点的抗干扰能力，s j a l 0 0 0 的t x o 和r x o 并不是直接与 8 2 c 2 5 0 的t x d 和p f f d 相连，而是通过高速光电耦合器6 n 1 3 7 后与8 2 c 2 5 0 相连，这样 就很好的实现了总线上各个c a n 节点间的电气隔离。但是光耦部分电路所采用的 两个电源和v 。必须完全隔离，否则采用光耦就失去了意义。电源的完全隔离可 采用小功率电源隔离模块或带5 v 隔离输出的开关电源模块实现。这些部分虽然增 加了接口电路的复杂性，但是却提高了节点的稳定性和安全性。 8 2 c 2 5 0 与c a n 总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。8 2 c 2 5 0 的 c a n h 和c a n l 弓 脚分别通过一个5 q 的电阻与c a n 总线相连，电阻可起到一定的限流 作用，保护8 2 c 2 5 0 免受过流的冲击ic a n h 、c a n l 与地之间分别并联了两个3 0 p f 的小电容，滤除总线上的高频干扰，具有一定的防电磁辐射的能力。另外，在两 根c a n 总线输入、输出端与地之间分别接了一个防雷击管，当两输入端与地之间 出现瞬变干扰时，通过防雷击管的放电可起到一定的保护作用。瞬变干扰是电磁 兼容领域中主要的一种干扰方式，特别是雷击浪涌波，由于持续时间短、能量大， 给电子电气设备的正常工作带来极大的威胁。8 2 c 2 5 0 的r s 脚上接有一个斜率电 阻，电阻大小可根据总线通信速度适当调整，一般在1 6 1 4 0 1 9 2 之间。 兰州理工大学硕士论文 图4 7c a n 总线索统通信电路顾理图 4 3 5a d 转换电路的设计 i a d 转换器_ a d 6 7 8 a d 转换器是将传感器送出连续变化的模拟信号转换为数值上等效的数字信 号，并送入计算机处理。直接a d 转换是将被转换的模拟输入信号直接与一个特 定的基准源进行比较后获得数字量。这种转换原理中，a d 所测得的是瞬时值， 所以抑制干扰的能力差，但速度快，其转换精度取决于电路中作为比较基准的a d 转换器的精度和比较器的精度。其中逐次逼近型a d 转换器速度较快，转换程序 固定，是当前计算机控制系统中经常采用的a d 转换器。目前，常用的a d 转换器 有：a d c 0 8 0 8 0 8 0 9 ( 多路8 位) 、a d 5 7 4 6 7 4 ( 1 2 位) ，佃6 7 8 a d l 6 7 8 等。转换方式 有计数式、逐次逼近式、双积分式等，其中，逐次逼近式的速度、精度和价格都 比较适中。 为了达到控制系统位置精度要求，选用1 2 位的a d 转换器。本系统采用了由 美国a n a l o gd e v i c e s 公司生产的a d 6 7 8 芯片，其主要应用特性总结如下： ( t ) a d 6 7 8 片内有采样保持器、5 v 高精度参考电源、内部时钟和三态缓冲数 据输出的数字接口。因此不需要任何外接元件就可以完成a d 转换，是一个完备 的采样a d 转换器，可直接与8 位或者1 6 位微处理器接口，转换速度为2 0 0k h z ( 5 脚) 。 ( 2 ) 由于a d 6 7 8 具有a c 信号处理能力，所以它们可以用于数据信号处理系统。 兰州理工大学硕士论文 而a d 6 7 8 又具有d c 信号处理特性，故还可以用于工业测控系统。 ( 3 ) a d 6 7 8 模拟信号输入的极性非常容易控制，对0 l o v 和5 v 输入极性变 换非常方便。其极性电路如图4 - 8 所示，本系统选用了o + l o v 的信号输入。 ( 4 ) a d 6 7 8 非线性误差1 2l s b ，2 8 脚的d i p 封装，模拟部分1 2 v 供电， 数字部分+ s v 供电。 i h 毛一匠 n 阳u t 增益调整1 j “ 髓f i n 篷盹 肛p o f f 工h 蠹e 耻柏1 j t 增益调整刈“ 髓f 瑾 零点调整h l r l 眦研f 枷 图4 8a d 6 7 8 极性连接电路 2 电位计型位移传感器 电液伺服系统实现系统闭环控制需要传感器，本系统采用电位计作为位置传 感器，其原理图4 9 所示。电位计由电阻元件与滑臂( 可动触点) 组成，滑臂随被 测物体运动。在理想的情况下，当电阻元件两端加有直流电压矿时，电阻元件的 一端与滑臂之间电压( 即输出电压) 与滑臂离开该端的位移成正比例。 l _