基于CAN總線下工程機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析

甘旭

（湖南骉騰智能科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410006）

1 基于CAN總線下工程機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)與工作原理

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，基于CAN總線的工程機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)，就是將傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)中單個(gè)微控制模塊，轉(zhuǎn)化成CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并以CANBUS為紐帶，連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)可以相互都通信息、完成自動(dòng)化控制任務(wù)的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由上位管理機(jī)、CAN接口適配卡以及多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能控制單元構(gòu)成，在CAN總線的作用下，將各個(gè)控制單元連接成分布式智能控制系統(tǒng)。

以機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括計(jì)算機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)節(jié)控制器。

圖1 基于CAN總線下機(jī)械臂自動(dòng)控制系統(tǒng)原理示意圖

其中，主控計(jì)算機(jī)與CAN總線的連接。整個(gè)控制系統(tǒng)采用的是主從分布式結(jié)構(gòu)，有4個(gè)開(kāi)關(guān)控制器，連接機(jī)械臂的不同關(guān)節(jié)部位，當(dāng)需要控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，由CAN總線還需承擔(dān)傳遞主控計(jì)算機(jī)命令，包括各種控制命令與參數(shù)設(shè)定命令，將其傳遞給智能節(jié)點(diǎn)控制單元；與此同時(shí)，智能節(jié)點(diǎn)控制單元，還需通過(guò)CAN總線，將控制系統(tǒng)所需的模擬量輸入通道信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)預(yù)先處理與實(shí)時(shí)報(bào)警功能，完成對(duì)主控計(jì)算機(jī)的及時(shí)反饋。

2 基于CAN總線下工程機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相比于其他設(shè)計(jì)方式，基于CAN總線的設(shè)計(jì)方式，在多主控制、發(fā)送消息、通信速度、故障封閉、連接、錯(cuò)誤檢測(cè)、通知和恢復(fù)功能等環(huán)節(jié)，都體現(xiàn)出較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?；贑AN總線的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)通信的要求，從而有效解決線束龐大的問(wèn)題，可靠性相對(duì)較高。

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

基于CAN總線的工程計(jì)協(xié)自動(dòng)控制系統(tǒng)，傳感器是其設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)部分，對(duì)于控制功能的有效實(shí)現(xiàn)，具有重要意義。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳感器應(yīng)保證能夠快速、準(zhǔn)確的獲取作業(yè)裝置與對(duì)象的相關(guān)信息，以提升控制反應(yīng)時(shí)間；另一方面，需要傳感器能夠經(jīng)受溫度、污染、沖擊振動(dòng)等多種環(huán)境影響的考驗(yàn)，這就需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要在實(shí)驗(yàn)室對(duì)傳感器性能進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，還需切實(shí)檢驗(yàn)其在使用環(huán)境中的使用效果，避免在實(shí)際使用過(guò)程中，出現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，影響機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。

2.2 智能控制模塊設(shè)計(jì)

智能控制模塊是CAN控制系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，智能控制模塊能夠有效收集傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，控制模塊當(dāng)中內(nèi)置的控制算法，將對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效處理，進(jìn)而形成命令信號(hào)，發(fā)送至相關(guān)控制其。以上述機(jī)械臂自動(dòng)控制系統(tǒng)為例，CAN智能控制模塊中內(nèi)置總線控制器，相應(yīng)的總線控制器，能夠完成CAN通信協(xié)議中的所有要求；而在CAN總線與總線控制器之間，還設(shè)有 CAN信號(hào)收發(fā)器，用于連接總線控制系統(tǒng)中的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層。在各部分結(jié)構(gòu)的共同作用下，智能控制模塊，能夠完成對(duì)相關(guān)控制信號(hào)的接收與輸送，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械動(dòng)作的有效控制。

2.3 微控制單元設(shè)計(jì)

為控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，需要以上述職能控制模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)?；贑AN總線下工程機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)中涉及到眾多單元模塊，在CAN總線的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各單元節(jié)點(diǎn)的有效設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，各單元節(jié)點(diǎn)不僅需要接受智能控制模塊發(fā)送的命令信號(hào)，同時(shí)還需為主控計(jì)算機(jī)承擔(dān)一部分計(jì)算/操作壓力，針對(duì)模塊的復(fù)雜程度，可采用8位CNOS微型計(jì)算機(jī)AT89C52，在當(dāng)前的應(yīng)用領(lǐng)域，性價(jià)比相對(duì)較高。為保證微控制單元功能目標(biāo)的有效實(shí)現(xiàn)，可選擇多通道模擬開(kāi)關(guān)，為多種信號(hào)傳感器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，提供可靠基礎(chǔ)。采用獨(dú)立分離設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)控制執(zhí)行單元時(shí)，能夠保證各個(gè)執(zhí)行單元之間的數(shù)據(jù)，以更加便捷的方式進(jìn)行傳遞與交換。

2.4 控制算法設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分，對(duì)于位置控制算法的實(shí)現(xiàn)，可采用神經(jīng)PID算法。利用PID控制獨(dú)立關(guān)節(jié)來(lái)完成控制任務(wù)，能夠保證機(jī)械波的作業(yè)質(zhì)量與效率；在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，將PID控制與智能控制相結(jié)合，形成神經(jīng)PID算法，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，提升控制精度。

2.5 主控計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)

基于CAN總線下工程機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)中的主控計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，需要從其功能效果的角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可適當(dāng)一個(gè)主程和兩個(gè)子程；其中主程的主要責(zé)任，包括線程間同步、為線程間的數(shù)據(jù)傳遞提供有效通道、管理人機(jī)交互界面、顯示測(cè)控結(jié)果。而兩個(gè)子程中，分別為通信線程與計(jì)算線程。以系統(tǒng)的實(shí)際需求為依據(jù)，在編程過(guò)程中，應(yīng)盡量利用潛在的CPU空閑時(shí)間，以最大程度提升應(yīng)用程序的反應(yīng)速度。如此才能保證在系統(tǒng)運(yùn)行期間，主控計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)CAN總線與各現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行通信，接收數(shù)據(jù)并發(fā)送指令，以及對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)與控制量的有效處理。

3 基于CAN總線下工程機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

以某工程機(jī)械臂自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)為例，通過(guò)模擬結(jié)果分析其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效果。首先，系統(tǒng)當(dāng)中采用了神經(jīng)PID算法，在模擬環(huán)境當(dāng)中，檢測(cè)機(jī)械臂上4個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制下的運(yùn)動(dòng)效果，并將其與傳統(tǒng)算法下關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，在CAN總線的支持下，將關(guān)節(jié)控制指令傳遞至各個(gè)相應(yīng)關(guān)節(jié)，從而有效控制目標(biāo)關(guān)節(jié)的角度與角速度等運(yùn)動(dòng)軌跡；在自動(dòng)控制系統(tǒng)中計(jì)算程序的作用下，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)角度、角速度的誤差變化的有效計(jì)算。對(duì)比結(jié)果顯示，在自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中運(yùn)用神經(jīng)PID算法，能夠提升系統(tǒng)整體的反應(yīng)速度，且表現(xiàn)出良好的魯棒性。

在模擬設(shè)計(jì)結(jié)果分析的過(guò)程中，對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行了機(jī)電捕獲實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由通信系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)械臂，使其完成各項(xiàng)操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，基于CAN總線的工程機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)，顯著提升了各關(guān)節(jié)控制器的響應(yīng)速度，且能夠通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)平滑、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械臂的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，基本沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)震蕩現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

探究基于CAN總線下工程機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有利于提升相關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)相關(guān)分析，充分運(yùn)用CAN通信效率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)工程機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，單片機(jī)控制方法的不足。在CAN總線技術(shù)的支持下，工程機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)，均得到了相應(yīng)簡(jiǎn)化，且適用于眾多領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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