磁悬浮球网络化控制系统研究与设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 5.81MB 89 页 15积分
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I
摘 要
磁悬浮是利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的技术。随着微电子
技术、自动控制工程、信号处理元器件、电磁学理论及新型电磁材料
的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到飞快和长足的进展。目
前世界上各大高校和研究机构都在进行磁悬浮技术以及控制系统的研
究，如何选择一种合适的现场总线作为控制网络是目前正在研究的课
题之一。
本文根据磁悬浮技术的特性，选择磁悬浮球为控制对象，提出了基
于 CAN 总线的网络化控制系统方案。文中详细讨论了该系统的理论基
础，分别介绍了 CAN 总线技术、磁悬浮球工作原理及控制系统的数学
模型的研究和嵌入式系统技术，在此基础上设计了系统的总体结构和
各部分功能，重点分析了 CAN 网络及网络中的各个节点；然后研究与
设计了以 ARM7 内核的 16/32 位微处理器 LPC2292 为控制核心的系统硬
件，包括位置采样节点、磁力控制节点和开关控制节点三个部分；再
根据系统功能要求，设计实现了了控制网络系统和功能节点的应用软
件；最后对系统进行了软硬件调试和系统功能调试。
本文研究设计的系统具有系统集成度高、模块化强、网络连线简
单、响应速度快、可靠性高等优点，可以精确的控制电磁线圈电磁力
的变化，在很短的时间内，使小球到达悬浮状态，以达到控制目的。
该系统设计已通过初步的调试和运行，运行效果表明，该设计是
成功的。可以将 CAN 总线作为磁悬浮系统的控制网络。
关键词：磁悬浮 CAN LPC2292 嵌入式 分布式控制
磁悬浮球网络化控制系统研究与设计
II
ABSTRACT
Maglev is a technology to make the object be in the state of
levitation without touching by the magnetic force. With the development of
electronic technology, control engineering; signal processing components,
the electro magnetic theory, new electromagnetic material and rotor
dynamics, Maglev technology gets considerable progress. Many
universities and research institutes in the world are carrying on the research
of maglev technology and control system at present, how to choose a kind
of suitable field bus as the medium to control network is one of the subjects
which everybody is studying too.
This article was according to the characteristic of maglev technology,
chose maglev ball for control object, and proposed networked control
system scheme based on CAN bus. In this article, Discussed the theoretical
basis of the system in detail, Introduced the CAN bus technology, maglev
ball technology and embedded systems, Designed the system’ overall
structure and the function of each part and Analyzed the CAN network and
various network Node. Also discussed system software design based on the
system function request. Debugged the software, hardware and function of
the system last.
The system, studied and designed in this article, had a high level of
system integration, modular strong, simple network connection, fast
response, high reliability, can precisely control the electromagnetic coil
electromagnetic force changes to make the ball in the levitation state in a
very short time, in order to achieve control purposes.
This system design already passed the preliminary debugging and
running, the running effect indicated that this design is successful. So CAN
bus can be the medium of the maglev network.
Key Words: Maglev; CAN; LPC2292; Embedded; Distributed Control
III
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论………………………………………………………………………….1
§1.1 课题背景…………………………………………………………………….1
§1.2 国内外研究现状…………………………………………………………....2
§1.2.1 磁悬浮技术……………………………………………………………2
§1.2.2 CAN 总线技术…………………………………………………………2
§1.2.3 嵌入式技术…………………………………………………………...3
§1.2.4 磁悬浮控制系统的研究……………………………………………...4
§1.3 课题研究的内容…………………………………………………………...6
第二章 CAN 总线协议研究…………………………………………………………8
§2.1 简介…………………………………………………………………………8
§2.2 CAN 的分层结构…………………………………………………………….9
§2.3 总线电平…………………………………………………………………..10
§2.4 位时间……………………………………………………………………..10
§2.5 报文帧……………………………………………………………………..11
§2.6 故障界定…………………………………………………………………..18
§2.7 小结………………………………………………………………………..20
第三章 系统总体设计………………………………………………………………21
§3.1 系统设计流程……………………………………………………………..21
§3.1.1 电磁学理论………………………………………….………………..21
§3.1.2 光电池传感器理论…………………………………………………...26
§3.1.3 磁悬浮球系统组成…………………………………………………...27
§3.2 磁悬浮球数据建模与研究……………………………………………….28
§3.2.1 磁悬浮的物理模型………………………………….……………….28
§3.2.2 系统物理参数…………………………………………………...........37
§3.2.3 实际系统模型…………………………………………………...........37
§3.2.4 系统客观性和可控性分析…………………………………………...37
§3.3 小结………………………………………………………………………..38
第四章 磁悬浮球分布式控制系统设计……………………………………………39
§4.1 分布式控制系统总体设计………………………………………………..39
§4.1.1 磁悬浮球网络控制系统需求分析………………………………….39
§4.1.2 磁悬浮球网络控制系统的系统设计……………………………….39
§4.1.3 系统模块框架……………………………………………………….40
§4.1.4 系统架构…………………………………………………………….41
§4.1.5 网络架构…………………………………………………………….42
§4.2 磁悬浮球控制系统硬件设计…………………………………………….42
§4.2.1 数据处理与控制核心—微处理器………………………………….43
§4.2.2 LPC2292 外围辅助电路……………………………………………..44
§4.2.3 A/D 位置采样电路…………………………………………………..49
磁悬浮球网络化控制系统研究与设计
IV
§4.2.4. D/A 磁力控制电路…………………………………………………49
§4.2.5.光源控制开关电路………………………………………………….51
§4.3 磁悬浮球控制系统软件设计…………………………………………….52
§4.3.1 软件开发环境……………………………………………………….52
§4.3.2 基础软件模块……………………………………………………….54
§4.3.2.1 嵌入式系统结构……………………………………………….54
§4.3.2.2 启动过程……………………………………………………….54
§4.3.2.3 主程序 main……………………………………………………..58
§4.3.2.4 CAN 模块………………………………………………………..60
§4.3.3 位置采样模块（A/D）………………………………………………67
§4.3.4 磁力控制模块（D/A）………………………………………………69
§4.3.5 开关控制模块（I/O）………………………...................................71
§4.4 小结………………………………………………………………………..72
第五章 系统调试…………………………………………………………………...73
§5.1 硬件调试………………………………………………………………….73
§5.2 系统性能调试…………………………………………………………….74
§5.2.1 PC 节点系统监控软件设计…………………………………………74
§5.2.2 系统调试…………………………………………………………….75
§5.3 小结……………………………………………………………………….80
第六章 结论………………………………………………………………………...81
参考文献…………………………………………………………………………….83
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果………………………….86
致谢………………………………………………………………………………….87
第二章 ＣＡＮ总线协议研究
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景
随着人类社会的发展，人类活动的地域范围不断扩大，不同城市之间的联系
也越来越密切，为了能够快速的在各个地域范围内活动，人类交通工具也在不断
的推成出新，从原始的动物如驴、马等动物，到现在的以发动机驱动为主体的汽
车和火车。交通工具的不断更新体现了人类对于速度的永恒的追求，伴随着人类
这种对高速的渴求，磁悬浮技术应运而生，在多个国家的实验室里，科学家和工
程师们都在努力研究将这种常规机电产品与现代控制技术相结合并投入商业运
用。
磁悬浮技术的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现将金
属悬浮起来，将一个金属样品放置在通有高频电流的电磁线圈上方，产生的高频
电磁场会在金属样品表面形成一高频涡流，高频涡流与永磁磁场之间相互作用，
使金属样品受到洛沦兹力的作用。在合适的空间构建下，可使产生的洛沦兹力的
方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率来使电磁力与重力相等，并且是一
对平衡力，即可实现电磁悬浮功能。
在微电子技术、信号处理元器件、自动控制技术、电磁学理论、新型电磁材
料转子动力学的研究与发展带动下，磁悬浮技术得到了快速长久的发展。
磁悬浮技术的诞生于德国，最早在 1922 年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出
了电磁悬浮理论，并在 1934 年进行了磁悬浮列车专利的成功申请。从 1970 年代
以来，各个工业化国家经济实力在不断增强，为提高交通运输能力和运输速达以
适应其经济发展的需要，德国、日本、法国、美国、英国、加拿大等发达国家相
继开始筹划开发磁悬浮运输系统。
磁悬浮技术具有使用寿命长、技术实施要求不高、非接触、无噪声、无污染
等优点，使其在工程应用场合中显示出极大的优越性，近年来倍受工程技术人员
关注。在汽车工程领域，可将其应用于汽车减振器、座椅、救护车担架中，从而
减少各种振动；伴随这磁悬浮技术的进一步完善，还可开发出磁悬浮式发动机支
架、磁悬浮式防撞保险杠等需要缓冲的汽车零部件。在天文领域，可将其应用于
天文望远镜中，可解决极地望远镜轴系材料和润滑方面的技术难题。在医学领域，
为了免密封机构磨损和发热导致的血破坏性、延长人工心脏在免维护状态下的无
故障使用寿命，目前在人工心脏的研发中应用了磁悬浮技术；在机械领域，提出
了用磁悬浮轴承来改变汽轮机转子结构设计的思想，从而改善转子运行的动态特
磁悬浮球网络化控制系统研究与设计
2
性，避免共振，提高机组运行的可靠性等。
目前的悬浮技术已经分出了电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬
浮、粒子束悬浮等多个悬浮技术学科，已经从最早的交通运输领域现在扩展到各
个工程领域。我们着重研究的是点磁悬浮技术，无论从改变人类交通的速度，还
是在人类生活的各个领域，电磁悬浮技术的应用越来越广泛。研究和掌握电磁悬
浮技术越来越成为科研人员和学者关注的热点。
§1.2 国内外研究现状
§1.2.1 磁悬浮技术
在国际上：德国、日本两个磁悬浮技术研究主要国家在电磁悬浮技术领域已
经有数十年的研发。目前，德国走的是“常导气隙传感电磁吸悬浮”技术路线，
而日本走的是“超导电动悬浮”技术路线。
在国内：中国在点磁悬浮技术的研究起步较晚，最早的研究是从磁悬浮列车
的研究开始，在 1989 年 3 月，国防科技大学研制出了中国历史上第一台磁悬浮试
验用样车。到了 1995 年，中国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学正式建成，
并且在上面成功进行了稳定悬浮技术、导向技术、驱动控制技术和载人运行等时
速为 300 km 的各个试验。随着西南交通大学这条试验线的建成，标志中国已经成
功掌握了制造磁悬浮列车的各项技术。再接着，大连研制出的“永磁补偿式悬浮
技术”是一种完全自主知识产权的磁悬浮技术，其创新点在于使用将轨磁与翼磁
之间形成斥悬浮的工作机构，补磁与导磁板轨相互之间形成吸悬浮工作机构，两
者协同工作，共同提供悬浮力，其优势是：悬浮能力大、耗能低、控制简捷、安
全、可靠，技术实现方式成本低。
§1.2.2 CAN 总线技术
CAN 总线技术最早的诞生是满足汽车工程设计的需要，在电子技术的飞速发
展，汽车上各个零部件之间需要交换信息，而还没有一个网络协议能够完全满足
汽车各个零部件之间通讯的要求。于是德国 Bosch 公司设计了新的两线式串行总
线系统，称之为“Automotive Serial Controller Area Network”(汽车串行控
制局域网)，用于实现汽车内部传感测量部件与控制部件相互之间的数据交换。由
于 CAN 总线自身的优点和特点，使其应用范围到今天也从汽车行业扩展到了机械
工业、医疗机械、机器人、数控机床、家用电器及传感器等多个领域。CAN 总线最
早形成国际标准（ISO11898）的现场总线，被认为是目前最有应用价值和前途的
摘要：

I摘要磁悬浮是利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的技术。随着微电子技术、自动控制工程、信号处理元器件、电磁学理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到飞快和长足的进展。目前世界上各大高校和研究机构都在进行磁悬浮技术以及控制系统的研究，如何选择一种合适的现场总线作为控制网络是目前正在研究的课题之一。本文根据磁悬浮技术的特性，选择磁悬浮球为控制对象，提出了基于CAN总线的网络化控制系统方案。文中详细讨论了该系统的理论基础，分别介绍了CAN总线技术、磁悬浮球工作原理及控制系统的数学模型的研究和嵌入式系统技术，在此基础上设计了系统的总体结构和各部分功能，重点分析了CAN网络及网络中的各个...

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