基于CAN總線下工程機械自動控制系統設計的分析

甘旭

（湖南骉騰智能科技有限公司，湖南長沙，410006）

1 基于CAN總線下工程機械自動控制系統的框架結構與工作原理

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網絡，基于CAN總線的工程機械自動控制系統，就是將傳統測控系統中單個微控制模塊，轉化成CAN網絡節點，并以CANBUS為紐帶，連接各個網絡節點，形成一個可以相互都通信息、完成自動化控制任務的控制網絡系統。系統主要由上位管理機、CAN接口適配卡以及多個現場智能控制單元構成，在CAN總線的作用下，將各個控制單元連接成分布式智能控制系統。

以機械控制系統的設計為例，其總體結構如圖1所示，包括計算機、通訊網絡以及關節控制器。

圖1 基于CAN總線下機械臂自動控制系統原理示意圖

其中，主控計算機與CAN總線的連接。整個控制系統采用的是主從分布式結構，有4個開關控制器，連接機械臂的不同關節部位，當需要控制機械臂運動時，由CAN總線還需承擔傳遞主控計算機命令，包括各種控制命令與參數設定命令，將其傳遞給智能節點控制單元；與此同時，智能節點控制單元，還需通過CAN總線，將控制系統所需的模擬量輸入通道信號，并實現預先處理與實時報警功能，完成對主控計算機的及時反饋。

2 基于CAN總線下工程機械自動控制系統設計

相比于其他設計方式，基于CAN總線的設計方式，在多主控制、發送消息、通信速度、故障封閉、連接、錯誤檢測、通知和恢復功能等環節，都體現出較大的應用優勢。基于CAN總線的分布式控制網絡，能夠實現對數據通信的要求，從而有效解決線束龐大的問題，可靠性相對較高。

2.1 傳感器設計

基于CAN總線的工程計協自動控制系統，傳感器是其設計的基礎部分，對于控制功能的有效實現，具有重要意義。在實際設計過程中，傳感器應保證能夠快速、準確的獲取作業裝置與對象的相關信息，以提升控制反應時間；另一方面，需要傳感器能夠經受溫度、污染、沖擊振動等多種環境影響的考驗，這就需要在設計過程中，不僅要在實驗室對傳感器性能進行試驗檢驗，還需切實檢驗其在使用環境中的使用效果，避免在實際使用過程中，出現反應時間過長的問題，影響機電一體化的實現。

2.2 智能控制模塊設計

智能控制模塊是CAN控制系統的有機組成部分，智能控制模塊能夠有效收集傳感器采集的相關數據信息，控制模塊當中內置的控制算法，將對相關數據信息進行有效處理，進而形成命令信號，發送至相關控制其。以上述機械臂自動控制系統為例，CAN智能控制模塊中內置總線控制器，相應的總線控制器，能夠完成CAN通信協議中的所有要求；而在CAN總線與總線控制器之間，還設有 CAN信號收發器，用于連接總線控制系統中的物理層與數據鏈路層。在各部分結構的共同作用下，智能控制模塊，能夠完成對相關控制信號的接收與輸送，從而實現對機械動作的有效控制。

2.3 微控制單元設計

為控制技術的實現，需要以上述職能控制模塊設計實現為目標。基于CAN總線下工程機械自動控制系統中涉及到眾多單元模塊，在CAN總線的作用下，能夠實現對各單元節點的有效設計。在設計過程中，各單元節點不僅需要接受智能控制模塊發送的命令信號，同時還需為主控計算機承擔一部分計算/操作壓力，針對模塊的復雜程度，可采用8位CNOS微型計算機AT89C52，在當前的應用領域，性價比相對較高。為保證微控制單元功能目標的有效實現，可選擇多通道模擬開關，為多種信號傳感器的設計實現，提供可靠基礎。采用獨立分離設計模式，設計控制執行單元時，能夠保證各個執行單元之間的數據，以更加便捷的方式進行傳遞與交換。

2.4 控制算法設計

軟件設計部分，對于位置控制算法的實現，可采用神經PID算法。利用PID控制獨立關節來完成控制任務，能夠保證機械波的作業質量與效率；在實際設計過程中，將PID控制與智能控制相結合，形成神經PID算法，能夠充分發揮兩者的優勢，提升控制精度。

2.5 主控計算機程序設計

基于CAN總線下工程機械自動控制系統中的主控計算機的設計，需要從其功能效果的角度出發，在設計過程中，可適當一個主程和兩個子程；其中主程的主要責任，包括線程間同步、為線程間的數據傳遞提供有效通道、管理人機交互界面、顯示測控結果。而兩個子程中，分別為通信線程與計算線程。以系統的實際需求為依據，在編程過程中，應盡量利用潛在的CPU空閑時間，以最大程度提升應用程序的反應速度。如此才能保證在系統運行期間，主控計算機能夠通過CAN總線與各現場控制器進行通信，接收數據并發送指令，以及對相關數據與控制量的有效處理。

3 基于CAN總線下工程機械自動控制系統設計實現

以某工程機械臂自動控制系統軟件的設計為例，通過模擬結果分析其設計實現效果。首先，系統當中采用了神經PID算法，在模擬環境當中，檢測機械臂上4個關節聯動控制下的運動效果，并將其與傳統算法下關節的運動情況進行對比。結果顯示，在CAN總線的支持下，將關節控制指令傳遞至各個相應關節，從而有效控制目標關節的角度與角速度等運動軌跡；在自動控制系統中計算程序的作用下，還可以實現對角度、角速度的誤差變化的有效計算。對比結果顯示，在自動控制系統當中運用神經PID算法，能夠提升系統整體的反應速度，且表現出良好的魯棒性。

在模擬設計結果分析的過程中，對機械臂關節進行了機電捕獲實驗。實驗過程中，由通信系統引導機械臂，使其完成各項操作。實驗結果表示，基于CAN總線的工程機械自動控制系統，顯著提升了各關節控制器的響應速度，且能夠通過對關節的精準控制，實現平滑、穩定的運動過程，在實驗過程中發現，機械臂的整個運動過程，基本沒有出現過震蕩現象。

4 結束語

探究基于CAN總線下工程機械自動控制系統設計，有利于提升相關自動控制系統的可靠性。通過相關分析，充分運用CAN通信效率高、抗干擾能力強等優點，設計工程機械自動控制系統，能夠有效彌補傳統設計當中，單片機控制方法的不足。在CAN總線技術的支持下，工程機械自動化控制系統結構及設計，均得到了相應簡化，且適用于眾多領域的應用系統的設計與開發。

參考文獻

[1]王愛軍.基于CAN總線的船舶電站自動控制系統設計[J].南通航運職業技術學院學報,2015,14(02):23-27.

[2]劉建國.工程機械自動控制與CAN總線的融合[J].裝備制造技術,2014(03):157-158.