CAN总线技术在实际控制系统中的应用研究

关键词：can；驱动控制；顺序控制；过程控制

0 引 言

80年代后期，人们在dcs的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信，这就是现场总线。由于从根本上解决了网络控制系统的自身可靠性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。

近年来现场总线技术正走向成熟，对现场总线来说，不同工业部门基于不同的思路和方法出现了多种现场总线标准。各种现场总线有各自的应用领域和市场。本文介绍can现场总线技术及其在sds 系统中对驱动控制、顺序控制、过程控制分别进行的设计和实验。作为驱动控制的控制对象是直流电机和交流电机；顺序控制的控制对象是采用可编程序控制器（plc）的十字路口红绿灯；过程控制的控制对象是水箱水位的控制。其中对直流电机作了正转、反转、正向制动、反向制动，由正（反）转直接切换到反（正）转的控制；对交流电机作了正反转控制；对红绿灯做了正常时序控制和急行时的特殊控制；对水箱水位做了水位高度稳定的控制。利用canbus通过对各种不同类型控制系统的互联，分时控制或同时控制，经实践证明效果都是满意的，消除了“自动化信息孤岛”现象。

1 系统总体设计的硬件电路

can总线对驱动控制、顺序控制、过程控制的硬件电路图如图1所示：

图1 系统原理框图

2 can总线对直流电机的正向制动控制

直流电机要作正向制动，首要的条件就是正转和反转必须能可靠稳定的运行。由于我们采用的rsm 非智能模块的通信周期较长,这对实时性要求很高的驱动控制来说是一个致命的问题。解决的办法是采用超前预测控制。由于通信时间长，用纯双闭环pi算法很难控制电机的起动过程；当然，如果是模拟量的控制，用双环pi就能很好的控制电机，起动快，稳定性好，抗干扰能力强。但在离散控制下，起动过程就很难优化，要么起动时间长，要么超调大。这时在电机启动后的前5秒采用了模糊控制算法。模糊控制具有比例调节的快速性的优点,又很稳定。但它有一个明显不足就是抗干扰能力差，而双环pi的稳定性好，抗干扰能力也好，所以在电机运行5秒后就切换到双环pi控制。归纳起来，在单向运行时控制方法是带预测模糊的双环pi控制算法。

该控制系统是逻辑控制的无环流可逆调速系统。工作原理是：当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。其原理框图如图2所示：

(dlc—无环流逻辑控制器)

图2 逻辑控制的无环流可逆调速系统

对无环流逻辑控制器的要求可归纳如下：

（1）由电流给定信号u_i^*和零电流检测信号u_i共同发出逻辑切换指令。当u_i^*改变极性，且零电流检测发出“零电流”信号时，允许封锁原工作组，开放反工作组。

（2）发出切换指令后，须经过封锁延时时间才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时后，才能开放另一组脉冲。

（3）无论在什么情况下，两组晶闸管绝对不能同时开放，当一组工作时，必须封锁另一组触发脉冲。

由以上分析可得出逻辑控制器的功能和输入输出信号如图3所示。

图3 逻辑控制器的功能和输入输出信号图

3 控制结果

正向制动的流程图如图4所示：

流电机正向制动控制的流程图

对于正转到1000 r/min的调节时间是1.2 s，超调量是2.2%，抗干扰能力是当由负载切换到空载然后稳定在1000 r/min的时间是6 s，由空载切换到负载然后稳定到1000 r/min的时间是6 s，静差的波动范围大约是0.5%，对于反转的性能和正转的性能是一样的。对于正向制动能够做到快速而平稳的切换，中间没有环流且能可靠地停车，大约1.5 s就可制动停车。

对于反向制动的性能和正向制动是一样的。对于由正转直接切换到反转，可以做到快速地正向制动成功，然后快速地反向起动，并能在反向稳定可靠地运行。由反转直接切换到正转和由正转切换到反转是一样的。当然对十字路口交通灯，水箱水位的控制，交流电机的正反转控制就相对简单一些，控制效果也很好，鉴于文章的篇幅所限，这里不再赘述。

4 结束语

1）信息网络体系结构的发展与控制系统结构的发展有相似之处，现场总线系统的上位机已联网的话，很容易将底层现场信息发送给上层管理层用户及远程用户，真正实现信息共享。

2）基于ｃａｎ总线技术的sds系统总体硬件电路给出了现场总线系统的结构体系，具有典型的总线拓朴结构，各类控制系统能够互联并能分时或同时控制，并且互不干扰。

3）直流电机的驱动控制是一种很复杂、实时性要求很高的控制，采用can总线对它进行了实时控制，实验效果令人满意，这不仅仅是控制算法的问题，而是整个控制系统结构的一大变革。

当然，我国目前现场总线的应用水平还不高，还存在很多不足，但这不能否认现场总线是我们未来自动控制系统发展的必然趋势。

参考文献：

［1］阳宪惠.现场总线技术及其应用［m］.北京：清华大学出版社，1999.

［2］邬宽明.can总线原理和应用设计［m］.北京：北京航空航天大学出版社，1996.

［3］杨育红.lon网络控制技术及应用［m］.西安：西安电子科技大学出版社，2000.

［4］陈伯时.电力拖动自动控制系统［m］.北京：机械工业出版社，1992.