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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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

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

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

§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

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

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

第二章ＣＡＮ总线协议研究

现场总线之一，与其它现场总线相比较,CAN 总线具有通信速率高、稳定、容易实

现、且性价比高等诸多特点。这些也是目前 CAN 总线应用于多个领域,并且具有强

劲的市场竞争力的重要原因。

由于其良好的性能及独特的设计理念,CAN 总线越来越受到人们的重视和应用。

因为是源自于汽车领域，所以其在汽车领域的应用是最广泛的,世界上许多著名的

汽车制造厂商,如 BENZ(奔驰)、PORSCHE(保时捷)、BMW(宝马)、ROLLS-ROYCE(劳斯

莱斯)和 JAGUAR(美洲豹)等，以及国内的各大汽车厂商，如 ROEWE（荣威）、MG、

奇瑞（cherry）等，都采用了 CAN 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行

机构间的数据通信。同时也有很多为之配套的应用协议： SAE J1939/ISO11783、

CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000 等被开发出来。

§1.2.3 嵌入式技术

嵌入式技术是当今发展速度最快、应用范围最广、且最具有发展前景的主要

技术之一，已被广泛应用于自动化控制、通信、医疗仪器、信息家电、车载电子、

智能仪器仪表、航空航天等多个领域。嵌入式系统的出现至今的历史已经超过 30

多年，随着和嵌入式相关的硬件和软件发展，嵌入式技术也经历过多个发展阶段。

特别是进入 90 年代后，以微控制器和嵌入式软件为核心的数字化技术取得了快速

发展，渗透到了社会经济、军事、交通、通信、家用电器、娱乐设别、艺术、社

会文化等各个领域，掀起了数字化技术革命的风暴。多媒体娱乐技术与 Internet

网络的应用迅速普及，计算机(Computer)、消费电子(Consumptive electron)、通信

技术(Communication),3C 一体化趋势越来越明显，嵌入式技术又成为研究热点。

嵌入式技术的发展是一项集嵌入式软件和嵌入式硬件一体的系统工程，它的

发展主要指嵌入式软件和嵌入式硬件的发展，因此要求嵌入式产品开发厂商在提

供嵌入式软硬件系统的同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。目前

很多微处理器厂商已经充分考虑到这一点，在主推硬件系统的同时，也重点推广

将开发环境和开发工具。比如韩国三星电子有限公司在推广 ARM 系列微处理器芯

片的同时，还提供硬件评估板和软件板级支持包（BSP），而微软公司在主推

WindowCE 嵌入式操作系统的同时时也提供 Platform Builder 作为开发工具，还有

Wind river 公司推 Vxworks 嵌入式操作系统同时提供 Tonado 开发环境，国内京银

科技有限公司推 DeltaOS 嵌入式操作系统的同时推除 Limda 编译环境等等都是这

一趋势的典型体现。当然，在一定程度上这归功于激烈的市场竞争的结果。在芯

片设计上还要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，使芯片的集成度和功能

性得到更大的提升，这要求设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如 32 位、

磁悬浮球网络化控制系统研究与设计

64 位RISC 芯片或信号处理器 DSP 增强芯片的处理能力，同时还要集成更多的功

能外设，如 USB、SPI 等扩展总线类型、CAN BUS、A/D 等，逐步实现片上系统

（SOC）的概念。在嵌入式软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技

术来降低开发功能复杂性，从而简化应用程序、底层驱动的设计、在保障软件质

量的同时缩短嵌入式软件开发周期。

未来将是一个网络化的时代，所以要求嵌入式设备必须适应网络发展的需求，

从而要求硬件设备上必须提供各种网络通信接口功能。传统意义上的单片机只是

限于满足一些简单的单独处理的功能，根本没有对网络功能的支持，而新一代的

嵌入式处理器都在内嵌网络接口功能，能够支持 TCP／IP、IEEE1394、

USB、

CAN、

Bluetooth 或IrDA 通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供配套芯片接口的通

信组网协议程序和物理层驱动程序。而现在很多嵌入式系统都集成网络模块，可

以很轻易的在设备中嵌入网络功能。

嵌入式产品基本上是为某个特定的功能而开发的，所以一般要求具有一些优

点，如体积小、成本低、易使用、低功耗等，这也正是嵌入式技术可持续发展的

保证，因此嵌入式技术具有美好的发展前景和广阔的应用空间，在未来嵌入式技

术将会渗透到每一个领域，每一个应用上，使我们无论身处何时、何地，都可以

感受到嵌入式技术的存在。

§1.2.4 磁悬浮控制系统的研究

磁悬浮技术的研究在全世界范围的高校及研究机构都在展开，除了对电磁学

及电磁材料的研究，对磁悬浮控制系统的研究也是其中的一个重点。控制系统在

国内外的研究也已经取得了长足的进展。

固高科技（深圳）有限公司，为满足各高校磁悬浮控制实验课程教学的需要，

设计出一套基于磁悬浮球控制技术的分布式控制系统。该系统由光源、光电池传

感器、光电池电压处理电路、A/D 采集电路、PC 机、D/A 输出点哭、电磁线圈驱

动电路和电磁铁组成。产品如图 1-1 所示：

第二章ＣＡＮ总线协议研究

图1-1 固高公司的磁悬浮球控制设备图

维也纳工业大学 Kopetz 教授与德国慕尼黑工业大学合作用 TTP/A 总线建立了

磁悬浮控制系统，它主要由光源、传感器、电磁铁以及几个微处理器节点组成。

通过连接在 TTP/A 总线上的微控制器节点来实现控制金属钵悬浮。

图1-2 基于 TTP/A 总线的磁悬浮控制

（德国维也纳工业大学与慕尼黑工业大学）

2002 年，美国德克萨斯州 A&M 大学的研究生 Stephen.C.Paschall 成功设计制

作了基于以太网的磁悬浮球控制系统，通过两台用高速以太网连接的计算机实现

了整个闭环控制过程。他的这篇论文获得了“高级荣誉论文”的荣誉。并且在之

后的几年中，这台设备一直被用来研究网络延时和丢包问题的解决策略。

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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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