基于CAN总线的分布式位置伺服系统设计

系统的闭环控制采用的是Bang-Bang算法。该算法是一种时间最优控制，且算法简单，便于单片机实现，又能满足系统控制精度的要求。设精度允许的推杆位置误差带为[-Δ₁,Δ₂]，当前偏差为e(t)，-Δ₁≤e(t)≤Δ₂时，可认为推杆当前位置即为给定要求的位置。若把控制量u(t)归一化处理，则此算法可以表示为：

由于伺服电机正转和反转时推杆运动的惯性不同，所以正、反向最大误差允许值Δ2和Δ1一般是不相等的。图4是Bang-Bang算法子程序流图。

故障处理程序处理的故障包括CAN通信中断故障、位置反馈断线故障、电机堵转故障等，通过对这些故障的自动处理或给出提示信息提高了系统的可靠性。控制器在不同场合使用时，对一些参数的要求也不相同，如控制器CAN报文的ID、通信波特率、控制死区、位置标定等参数的值都可以通过CAN总线报文进行人工修改。本设计选用的X5045芯片带有512字节的E2PROM，可由单片机对其存储空间进行串行读写，因此，X5045芯片除了实现单片机的上电复位和看门狗功能外，还可把需要进行修改的参数存放在其E2PROM空间中。对故障处理和参数修改子程序的具体编写这里不再详述。
4 实验结果及分析
本系统实现1个脚踏板同时对2个油门阀的控制，脚踏板电位器输出的电压信号经主控制器PLC的模拟量输入口进行A/D转换，再通过CAN总线接口发给2个伺服驱动节点，控制油门阀的开度快速精确跟踪脚踏板的运动变化。在实际应用过程中，PLC还用于整车的其他控制功能。由于通信线使用的是普通双绞线的特征阻抗120 Ω,所以需要在CAN总线两端的CANH和CANL之间各加1个120 Ω的终端电阻，使总线阻抗匹配，以较好地抑制干扰。
经过实验，系统能够达到以下要求：
(1)在波特率250 Kb/s、总线长度100 m的情况下，各节点之间通信正常，2个伺服驱动节点能正常工作。
(2)推杆的有效运动长度约为50 mm，5 s内可实现全程运动，可满足油门阀调节快速性的要求。
(3)图5是调试过程中通过CodeSys开发环境的变量观察窗口绘出的2个推杆运动的阶跃响应曲线,其中图5(a)是控制推杆伸出的情况，图5(b)是缩回的情况。图中，x表示位置给定量的阶跃变化，y1、y2分别表示2个推杆位置对阶跃给定的动态响应曲线。由图可以看出，2个推杆的位置均能及时跟随给定量的变化，并能达到控制精度的要求。

本文设计的分布式直流电动伺服系统已经应用在某大型工程运输车的油门阀控制中，其工作稳定可靠，与气动油门相比，大大提高了油门控制的响应速度和系统的可靠性。该系统的伺服驱动节点结构简单、成本低廉，CAN总线网络的应用使整个系统具有很强的通用性和可扩展性，根据应用需要可以方便地增减驱动节点的数量，实现更多轴和多点的伺服控制系统，并进一步实现多电机的协同控制。