基于CAN總線的分布式位置伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的閉環(huán)控制采用的是Bang-Bang算法。該算法是一種時(shí)間最優(yōu)控制，且算法簡單，便于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，又能滿足系統(tǒng)控制精度的要求。設(shè)精度允許的推桿位置誤差帶為[-Δ₁,Δ₂]，當(dāng)前偏差為e(t)，-Δ₁≤e(t)≤Δ₂時(shí)，可認(rèn)為推桿當(dāng)前位置即為給定要求的位置。若把控制量u(t)歸一化處理，則此算法可以表示為：

由于伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)推桿運(yùn)動(dòng)的慣性不同，所以正、反向最大誤差允許值Δ2和Δ1一般是不相等的。圖4是Bang-Bang算法子程序流圖。

故障處理程序處理的故障包括CAN通信中斷故障、位置反饋斷線故障、電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障等，通過對這些故障的自動(dòng)處理或給出提示信息提高了系統(tǒng)的可靠性?？刂破髟诓煌瑘龊鲜褂脮r(shí)，對一些參數(shù)的要求也不相同，如控制器CAN報(bào)文的ID、通信波特率、控制死區(qū)、位置標(biāo)定等參數(shù)的值都可以通過CAN總線報(bào)文進(jìn)行人工修改。本設(shè)計(jì)選用的X5045芯片帶有512字節(jié)的E2PROM，可由單片機(jī)對其存儲空間進(jìn)行串行讀寫，因此，X5045芯片除了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的上電復(fù)位和看門狗功能外，還可把需要進(jìn)行修改的參數(shù)存放在其E2PROM空間中。對故障處理和參數(shù)修改子程序的具體編寫這里不再詳述。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1個(gè)腳踏板同時(shí)對2個(gè)油門閥的控制，腳踏板電位器輸出的電壓信號經(jīng)主控制器PLC的模擬量輸入口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過CAN總線接口發(fā)給2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，控制油門閥的開度快速精確跟蹤腳踏板的運(yùn)動(dòng)變化。在實(shí)際應(yīng)用過程中，PLC還用于整車的其他控制功能。由于通信線使用的是普通雙絞線的特征阻抗120 Ω,所以需要在CAN總線兩端的CANH和CANL之間各加1個(gè)120 Ω的終端電阻，使總線阻抗匹配，以較好地抑制干擾。
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)能夠達(dá)到以下要求：
(1)在波特率250 Kb/s、總線長度100 m的情況下，各節(jié)點(diǎn)之間通信正常，2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)能正常工作。
(2)推桿的有效運(yùn)動(dòng)長度約為50 mm，5 s內(nèi)可實(shí)現(xiàn)全程運(yùn)動(dòng)，可滿足油門閥調(diào)節(jié)快速性的要求。
(3)圖5是調(diào)試過程中通過CodeSys開發(fā)環(huán)境的變量觀察窗口繪出的2個(gè)推桿運(yùn)動(dòng)的階躍響應(yīng)曲線,其中圖5(a)是控制推桿伸出的情況，圖5(b)是縮回的情況。圖中，x表示位置給定量的階躍變化，y1、y2分別表示2個(gè)推桿位置對階躍給定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。由圖可以看出，2個(gè)推桿的位置均能及時(shí)跟隨給定量的變化，并能達(dá)到控制精度的要求。

本文設(shè)計(jì)的分布式直流電動(dòng)伺服系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在某大型工程運(yùn)輸車的油門閥控制中，其工作穩(wěn)定可靠，與氣動(dòng)油門相比，大大提高了油門控制的響應(yīng)速度和系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用使整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通用性和可擴(kuò)展性，根據(jù)應(yīng)用需要可以方便地增減驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)更多軸和多點(diǎn)的伺服控制系統(tǒng)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的協(xié)同控制。