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伺服节制经典模子Fig Servocontrol typical mode直流电机

日期:2019-11-01 00:09 来源: 工业编码器

  伺服控制经典模型Fig Servocontrol typical model 直流电机选用额定电压24V 功率40W的稀土直流电机 该电机通过传动皮带带动方向盘主轴转动。 光电编码器采用了1024线ABZ三相空心编码器 套在方向盘轴上。光电编码器是一种广泛应用的编码式数字传感器 它将角位移转换为脉冲

  伺服控制经典模型Fig Servocontrol typical model 直流电机选用额定电压24V 功率40W的稀土直流电机 该电机通过传动皮带带动方向盘主轴转动。 光电编码器采用了1024线ABZ三相空心编码器 套在方向盘轴上。光电编码器是一种广泛应用的编码式数字传感器 它将角位移转换为脉冲形式的数字信号输出。光电编码器分为两种 绝对式光电编码器和增量式光电编码器。绝对式光电编码器测量转动体的绝对位置 增量式则专门测量转动体角位移的相对增量。增量式光电编码器是在一个码盘开出两条码道 分别为A相和B相 在两条码道上等距离开出透光的缝隙 两条码道的缝隙互相错开半个缝宽 如图4 有的还有第三条码道这条码道上只开出一个缝隙 用来表示码盘的零位 称为Z相。在码盘的两侧分别安装光源和光敏元件。码盘转动时 光源经过透光和不透光区域 每条码道将有一系列脉冲从光敏元件输出。码道上有多少缝隙 编码器旋转一周就会有多少个脉冲输出。将这些脉冲整形后 输出的脉冲信号如图4 所示。这样通过与被测轴连接编码器将角位移转换成A、B两路脉冲信号 A、B脉冲信号的相位差90度。 增量式光电码盘原理图Fig Encoder电机驱动器选用美国AMC公司的12A8直流电机驱动器 该驱动器采用双极性的模拟量控制 控制信号电压范围 10V 10V 驱动电压范围为20 80V 峰值电流12A 最大持续电流可达6A 且具有良好的调速性能及短路和过载保 45护。 由于本研究中使用的是增量式光电编码器 上电后系统无法获悉前轮的绝对转角 因此需要进行对中校正 这里使用了欧姆龙的限位开关实现对中操作。当系统上电 准备自动驾驶时 横向控制模块自动进行对中操作。其流程为 控制前轮转至右极限 触发位于转向机构右极限的限位开关 这个信号被横向控制模块捕获 即可获知前轮的绝对角度 为右极限 此后累加编码器的输出脉冲即可计算出前轮的绝对角度。 方向盘控制机构Fig Controlmechanism steeringwheel 横向控制模块电路Fig lateralcontrol module 464 电路设计及实现自主导航过程中 方向盘需要频繁的左右转。由于S12单片机只有单纯的脉冲计数功能 无法识别转动方向 需要在硬件电路上对编码器进行方向解码。当光电编码器的B相滞后A相半个相位的时候 为左转 B相提前A相半个相位的时候 为右转。在硬件实现上 使用了74LS174双D型触发器。根据D型触发器原理可知 只有在一路输入信号处于上升沿的时候 输出信号才与输入进行状态同步。否则输出信号状态不变。左转过程中 A相上升沿时 B信号总是处在低电平 右转过程中 A相上升沿时 B信号总处在高电平。因此 将A信号输入触发器的CP端 B信号接入D端 即可实现转动方向信息的提取。 由于S12单片机并不具备双极性模拟电压输出的功能 因此需要采用DA转换芯片实现双极性电压输出。本设计采用12位精度的双极性数模转换芯片——AD667。它采用12位I O输入接口 2级输入缓存 具有非常高的转换速度。同时具有输出电压校正功能 转换精度高。DA芯片的输出与隔离放大器相连 该隔离放大器放大比1 主要起电气隔离作用使单片机及DA芯片完全电气隔离于驱动器等强电流设备。 通讯模块方面 因为S12自带的MSCAN模块符合CAN总线协议的数据链路层规定 但并没有与CAN总线物理层相接的接口 因此电路中需加入CAN收发芯片 本文采用82C250。CAN模块的输出经过光电隔离芯片进入单片机。 前轮模块电路的框图如图4 6所示。 6横向控制模块电路框图Fig Circuitdiagram lateralcontrol module 纵向控制模块设计纵向控制的任务就是读取编码器的脉冲数计算出车速 并根据上位机发送的速度命令 控制直流电机 使车辆速度稳定在目标速度附近。同时周期性地发送 47实时车速至上位机。此外 还要根据车辆运行状态控制车身继电器等 实现加速、前进、后退、制动等 24 25 方案设计纵向控制的驱动电机是功率为4KW的他励直流电机 所谓他励电机是指励磁线圈由独立电源供电 不受电枢电压的影响的电机 电机驱动器采用了Curtis1244他励电机驱动器。Curtis1244是一款专为他励电机设计的驱动器 它控制效率高 控制平滑 能量利用效率高 并有很完善的安全防护措施 适用于轻型的物料及乘客运输车辆。Curtis1244的典型控制如图4 7所示。 Curtis1244控制器典型接线图 Fig Curtis1244 controller typical wiring diagram Curtis1244提供了多种调速方式 本文采用单极性0 5V模拟电压作为控制信号 由于本车设计时保留了手动驾驶功能 所以对原车所附的电阻式调速器也进行了改造 换用了电子调速器。Curtis1244还具有前进、后退、使能三个控制输入 纵向控制模块及通过这三个信号及单极性模拟电压实现对车辆速度的控制。 电路设计及实现纵向控制与横向控制有很大的相似性 都是通过对编码器脉冲的计数实现状态反馈的。因此 这两个模块的电路设计也极为接近 主要区别在与其输出电压 48的极性及控制参数。 5V的单极性电压非常容易获得本文采用DAC7512芯片作为数模转换芯片 实现对电机的速度控制。DAC7512是一款单通道 低成本 12位精度的DA转换芯片。其输入端采用SPI总线接口 空间占用少 体积小。同时 为使其输出电阻与Curtis1244的输入电阻匹配 也为减少驱动电路对控制模块的电磁干扰 DAC7512的输出信号需经过隔离放大器之后才能连入电机驱动器。纵向控制模块的电路框图如图4 8所示 8纵向控制模块电路框图Fig Circuitdiagram longitudinalcontrol module 纵向控制模块电路Figure longitudinalcontrol module 494 本章小结本章主要从底层控制系统硬件需求的角度进行分析 介绍了智能车的第三代底层控制系统。该系统是以飞思卡尔S12单片机为核心的嵌入式控制器。 一方面 S12单片机是应用于汽车电子方面的微控制器 其抗电磁干扰能力比DSP更为出色 另一方面 第三代系统的防干扰及电气隔离措施更为严格 系统的电磁兼容性有显著提升。与第二代基于DSP的底层控制方案相比 该底层系统具有更高的稳定性及可靠性。 该智能车参加了首届中国智能车未来挑战赛 其不俗的表现证实了该底层系统具有极高的可靠性及稳定性。 50第五章 智能车底层控制系统控制软件方案设计 嵌入式控制系统由软件和硬件两大部分组成。拥有完善的底层硬件只是系统实现的一个必要的条件。事实上 底层控制系统的软件可靠与否 执行效率的高低对系统的工作性能影响往往更为重要。因此必须合理地选用软件架构和通讯协议的应用层。同时 软件代码的优劣与算法是否合适 都能很大限度的影响系统的实时性。设计中需要针对智能车的应用场合并结合智能车控制的特点 选取合理的软件结构框架和通讯协议的应用层。通讯协议上 本设计选取具有良好实时性和扩展性的CANopen协议作为通讯总线的高层协议 同时选用uC OS II作为嵌入式模块的操作系统。 通讯方案设计与实现CAN总线是一种常见的现场总线 它非常适用于实时性要求非常高的分布式控制系统 它采用了OSI七层通讯模型中的最低两层 即物理层和数据链路层。 CAN的两层协议中 物理层的主要功能为实现编解码、位定时、位同步等功能。而链路层提供总线仲裁、消息封装、数据安全、消息有效性检测、错误检测及限定等功能。 事实上 一个完整的通讯系统不仅需要物理层和数据链路层 还需要规范的应用层协议。实践表明 即使是在最简单的CAN系统中 仅用这两层的服务也是不够的。比如超过8字节的数据块的传输、数据传输的应答或确认、CAN消息ID的分配、网络的初始化、节点的监控等等。因为这些功能直接支持应用进程 所以称之为应用层 26 因为CAN总线有上述的不足所以需要选定合适的CAN总线应用层协议 才能使其在智能车底层控制系统中充分发挥作用。 总线应用层协议的选型为推广CAN总线的应用 很多企业和组织为其定义了应用层协议。这种协议的底层采用基本CAN协议 称为基于CAN的总线 CAN—based fieldbus 添加的应用层协议称为CAN的高层协议 目前国际上使用的CAN应用层协议有Device Net、CAN Kingdom、CANopen、J1939、ISO11783 、SDS 、ISO11992、 ISOI1519、IS014230等 27 本设计中的智能车主要被当作通用的实验和应用平台来使用。因此不同的 51实验和应用场合 对底层控制系统的数据发送和接收的周期、内容等都有不同地要求。因此选用一款能够灵活应用的CAN应用层协议便显得尤为重要。同时为便于以后的扩展 该应用层协议要具有很强的通用性和兼容性。 为满足上述需求 本设计中采用在欧洲较为常用的CANopen协议作为应用层协议。 CANopen是一种基于CAN的高层协议 它是作为一种标准化的嵌入式网络发展起来的 其应用和设置极为灵活。CANopen是为面向运动的机械控制网络而设计的。至今已在许多不同的领域中得到了应用 如医疗设备 非道路车辆 汽车电子 公共运输 建筑自动化等。从应用领域上讲 CANopen非常适合作为智能车的底层控制系统的通讯协议 28 CANopen协议中包含了标准的应用层规范和通信规范其通信模型如图5 2所示 在CANopen的应用中 设备间通过相互交换通信对象进行通信。良好的分层和面向对象的设计思想将带给用户一个清晰的通信模型。 协议层的相互操作描述了不同协议是如何进行通信的。所有这些对象都可以通过一个16位的索引和一个8位的子索引检索到。这些通信对象由预先定义获配置的标识符映射到CAN的报文结构中。 CANopen各层的数据传输如5 1所示 CANopen各层的数据传输Fig CANopendata transmission differentlayers 一个CANopen设备模块可被分为3部分 如图5 2所示 52 CANopen设备模型Fig CANopenModel 通信接口和协议软件提供在总线上收发通信对象的服务。不同CANopen设备间的通信都是通过交换通信对象完成的。这一部分之间面向CAN控制器进行操作。 对象字典描述了设备使用的所有的数据类型、通信对象和应用对象 是一个CANopen设备的核心部分。对象字典位于通信程序和应用程序之间 向应用程序提供接口。应用程序由用户编写 包括功能部分和通信部分。通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen通信 而功能部分由用户根据应用要求实现。 CANopen网络的通信和管理都是通过不同的通信对象来完成的。考虑到工业自动化系统中数据流量的不同需要 CANopen规范定义了4类标准的通信对象PDO Process Data Object 、SDO Service Data Object 、NMT Net Management Object 和特殊对象来实现通信、网络管理、紧急情况处理等功能。协议利用CAN控制器报文的标识段 定义出CANopen的通信对象标识COB ID Communication Object Identifier 过程数据对象PDO第一类通信对象为过程数据对象PDO。PDO被映射到单一的CAN帧中 用于数据传输 最多可使用全部的8字节的数据域来传输应用对象。PDO的通信方式可用生产者 消费者模式来描述 每个PDO有一个唯一的标识符 过程数据只可以从一个设备发送 另一个设备获许多其他的设备同时接收 所以PDO应该是无确认模式的传输。作为广播对象 它的上层没有附加协议。本研究中 智能车底层系统之间进行数据交换 采用的就是过程数据对象。 服务数据对象SDO第二类通信对象是服务数据对象。该对象可传输大于8字节的配置信息。也就是说 SDO传送协议允许传送任意长度的对象。传送SDO用于对对象字典的读 写访问 它的优先级较低 但可以实现可靠的数据传输。接受者将确认收到的每个段信息 发送和接受者将建立点对点的通信 称之为客户机 服务器模式。通过传输对象字典的索引以及子索引 可以定位相应的对象字典入口 以实现对节点参数的设置、下载程序、定义PDO通信类型和数据的格式等。它由两个CAN对象在两个网络节点之间通过点对点的通信来实现这一过程。通过SDO传送报 53文可以不受长度的限制 但传送SDO报文需要而外的协议开销。 SDO和PDO是CANopen的基本传输机制。PDO用于对小型数据进行高速传输 SDO对对象字典进行访问 主要用于在设备配置过程中传递参数以及大数据块。 本研究中 SDO主要用于在线更改PDO通讯参数映射 实现PDO发送周期的在线调节。 网络管理对象NMT第三类通信对象是网络管理对象 包括节点监护和NMT对象。网络管理命令NMT控制从站工作状态。CANopen网络管理是基于节点的并且采用主 从结构 这就要求在网络中的一个设备专门作为NMT的管理者 其他节点都是NMT的从属。在网络初始化过程中 NMT主节点通过NMT服务控制从节点的初始化进程 为监视节点提供错误控制服务和网络通信状态服务 从网络中的一个模块到其他各个节点的配置数据的上传和下载的配置控制服务。 本研究中NMT命令主要用于系统启动命令和终止命令的发送。 特殊功能对象第四类通信对象是特殊功能对象。CANopen还定义了3个特定用于同步。紧急状态表示和时间标记传送的特殊功能对象 同步对象、紧急状态对象和时间标记对象。 对象字典CANopen设备中最重要的部分就是对象字典。对象字典实际上是一组对象 这些对象以一种有顺序的、预先定义好的方式通过网络可以访问到。 对象字典描述了设备所使用的所有的数据类型、通信对象和应用对象 它提供应用软件接口 是一个CANopen设备的核心部分。对象字典位于通信程序和应用程序之间 向应用程序提供接口 应用程序对对象字典进行操作就可以实现CANopen通信。理解对象字典的概念是理解CANopen模型的关键。CANopen对象字典可以通过一个16位的索引和一个8位的子索引检索。 这个对象字典最多可以包含65535条目 他们都通过16位的索引进行编址。对象字典包括各种数据类型、通信协议和设备描述等内容。复杂数据类型是预定义的结构 他们有标准数据类型组成 对所有设备是公开的。对象字典中的各种类型如表5

  基于主动视觉的智能车导航系统的研究智能,导航,研究,主动视觉,智能车,视觉导航,系统的研究,基于视觉的,基于视觉,系统研究

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