基于CAN總線的分布式位置伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
2.1 主控制器PLC模塊
本系統(tǒng)的主控制器PLC選用的是芬蘭EPEC公司生產(chǎn)的EPEC 3G系列控制模塊中的一種，該模塊功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越；堅(jiān)固、體積小、耐低溫、抗振動(dòng)、抗強(qiáng)電磁干擾，并具有高壓、過載、過熱和輸出短路保護(hù)功能；16位的高性能微處理器和超大容量的內(nèi)存空間使其具有很強(qiáng)的數(shù)字處理能力，可以完成較復(fù)雜的算法；具有豐富的I/O口資源,包括AI、DI、DO和PWM輸出等，還具有CANopen和CAN2.0B 兩個(gè)總線接口,可以與很多標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線產(chǎn)品直接連接，而且接線簡(jiǎn)單方便，可靠性高。本系統(tǒng)利用的是該模塊的CAN2.0B總線接口。
2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器節(jié)點(diǎn)硬件原理
　 本系統(tǒng)目前的工程應(yīng)用是控制油門閥的開度，圖1中的每1個(gè)伺服電機(jī)系統(tǒng)就是一個(gè)集成的直流電動(dòng)推桿，其包括DC 24 V直流電機(jī)、推桿機(jī)構(gòu)和推桿位置傳感器。通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)推桿機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)從而控制某型號(hào)油門閥的開度大小。
　 伺服驅(qū)動(dòng)器的CAN節(jié)點(diǎn)主要由單片機(jī)AT89C52、AD芯片、CAN控制器82527、收發(fā)器PCA82C250和繼電器構(gòu)成，其硬件原理如圖2所示。單片機(jī)從CAN總線上接收PLC發(fā)送的位置給定命令，推桿位置傳感器的反饋電壓信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)，與位置給定量進(jìn)行比較，然后完成推桿位置的閉環(huán)控制算法。控制量通過單片機(jī)的I/O_1和I/O_2輸出，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片后，I/O_1的信號(hào)控制1個(gè)雙刀雙擲繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，I/O_1的信號(hào)控制1個(gè)單刀繼電器以控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　 系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議是按照CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，采用11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，初始波特率為250 Kb/s(可修改)，各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送方式都采用廣播式，接收數(shù)據(jù)時(shí)采用報(bào)文標(biāo)識(shí)符過濾的方式從總線上接收本地所需要的數(shù)據(jù)。
3.1 PLC控制程序
　 系統(tǒng)選用的PLC的軟件開發(fā)環(huán)境是CoDeSys,它是德國(guó)3S公司開發(fā)的一種可視化PLC編程環(huán)境,支持IEC11311-3標(biāo)準(zhǔn)的指令表、梯形圖、功能模塊圖、順序流程圖、結(jié)構(gòu)化文本、連續(xù)功能圖等6種編程語(yǔ)言，用戶可在同1個(gè)項(xiàng)目中選擇不同的語(yǔ)言編寫程序。CoDeSys以工程文件的形式組織程序的各個(gè)對(duì)象。1個(gè)工程文件包含PLC程序里的所有對(duì)象：POUs（Program Organization Units）、數(shù)據(jù)類型和資源。1個(gè)POUs包括主程序（PLC_PRG）、子程序（PRG）、功能塊（FB）、函數(shù)（FUN）及語(yǔ)句，其中主程序必須命名為PLC_PRG。子程序可以調(diào)用函數(shù)和功能塊，但函數(shù)和功能塊不能調(diào)用子程序，且當(dāng)程序在線運(yùn)行時(shí)，子程序中的中間變量值是可視的。另外，CoDeSys還具有豐富的庫(kù)文件資源，編程過程中可以靈活調(diào)用，大大節(jié)省了軟件開發(fā)時(shí)間。
根據(jù)CoDeSys程序編寫的特點(diǎn)，系統(tǒng)的PLC程序是用結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言編寫的。程序的主要功能是把由AI口輸入的油門控制腳踏板的模擬電壓進(jìn)行一定調(diào)理后通過CAN總線發(fā)送給各個(gè)被控節(jié)點(diǎn)，并從CAN總線上接收各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，進(jìn)行判斷后對(duì)操作人員給出提示或報(bào)警信號(hào)。PLC的CAN總線通信初始化的主要設(shè)置有：波特率等相關(guān)參數(shù)、報(bào)文濾波參數(shù)、創(chuàng)建接收?qǐng)?bào)文的數(shù)據(jù)緩存區(qū)等，這些設(shè)置都可以直接調(diào)用CAN2.0的庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，十分方便。PLC在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用庫(kù)函數(shù)CAN_IITX（），設(shè)置ID、DLC等參數(shù)，把數(shù)據(jù)打包給每幀數(shù)據(jù)段的相應(yīng)字節(jié)即可；接收數(shù)據(jù)時(shí)，需要先調(diào)用庫(kù)函數(shù)CAN_II_GET_MSG（）創(chuàng)建接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)，設(shè)置OBJ、ID等參數(shù)(OBJ是緩存初始化序號(hào)， ID是接收數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)符)，實(shí)現(xiàn)報(bào)文過濾。然后調(diào)用庫(kù)函數(shù)GET_MSG（），其參數(shù)MESSAGE必須與緩存區(qū)初始化序號(hào)OBJ相等，才能讀入相應(yīng)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)。函數(shù)GET_MSG（）讀數(shù)據(jù)是分字節(jié)讀取的，可以很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的字節(jié)操作和位操作，可為數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理提供方便。順序循環(huán)執(zhí)行PLC程序，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的循環(huán)周期為10 ms，可以滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。