甘旭

（湖南骉腾智能科技有限公司，湖南长沙，410006）

1 基于CAN总线下工程机械自动控制系统的框架结构与工作原理

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络，基于CAN总线的工程机械自动控制系统，就是将传统测控系统中单个微控制模块，转化成CAN网络节点，并以CANBUS为纽带，连接各个网络节点，形成一个可以相互都通信息、完成自动化控制任务的控制网络系统。系统主要由上位管理机、CAN接口适配卡以及多个现场智能控制单元构成，在CAN总线的作用下，将各个控制单元连接成分布式智能控制系统。

以机械控制系统的设计为例，其总体结构如图1所示，包括计算机、通讯网络以及关节控制器。

图1 基于CAN总线下机械臂自动控制系统原理示意图

其中，主控计算机与CAN总线的连接。整个控制系统采用的是主从分布式结构，有4个开关控制器，连接机械臂的不同关节部位，当需要控制机械臂运动时，由CAN总线还需承担传递主控计算机命令，包括各种控制命令与参数设定命令，将其传递给智能节点控制单元；与此同时，智能节点控制单元，还需通过CAN总线，将控制系统所需的模拟量输入通道信号，并实现预先处理与实时报警功能，完成对主控计算机的及时反馈。

2 基于CAN总线下工程机械自动控制系统设计

相比于其他设计方式，基于CAN总线的设计方式，在多主控制、发送消息、通信速度、故障封闭、连接、错误检测、通知和恢复功能等环节，都体现出较大的应用优势。基于CAN总线的分布式控制网络，能够实现对数据通信的要求，从而有效解决线束庞大的问题，可靠性相对较高。

2.1 传感器设计

基于CAN总线的工程计协自动控制系统，传感器是其设计的基础部分，对于控制功能的有效实现，具有重要意义。在实际设计过程中，传感器应保证能够快速、准确的获取作业装置与对象的相关信息，以提升控制反应时间；另一方面，需要传感器能够经受温度、污染、冲击振动等多种环境影响的考验，这就需要在设计过程中，不仅要在实验室对传感器性能进行试验检验，还需切实检验其在使用环境中的使用效果，避免在实际使用过程中，出现反应时间过长的问题，影响机电一体化的实现。

2.2 智能控制模块设计

智能控制模块是CAN控制系统的有机组成部分，智能控制模块能够有效收集传感器采集的相关数据信息，控制模块当中内置的控制算法，将对相关数据信息进行有效处理，进而形成命令信号，发送至相关控制其。以上述机械臂自动控制系统为例，CAN智能控制模块中内置总线控制器，相应的总线控制器，能够完成CAN通信协议中的所有要求；而在CAN总线与总线控制器之间，还设有 CAN信号收发器，用于连接总线控制系统中的物理层与数据链路层。在各部分结构的共同作用下，智能控制模块，能够完成对相关控制信号的接收与输送，从而实现对机械动作的有效控制。

2.3 微控制单元设计

为控制技术的实现，需要以上述职能控制模块设计实现为目标。基于CAN总线下工程机械自动控制系统中涉及到众多单元模块，在CAN总线的作用下，能够实现对各单元节点的有效设计。在设计过程中，各单元节点不仅需要接受智能控制模块发送的命令信号，同时还需为主控计算机承担一部分计算/操作压力，针对模块的复杂程度，可采用8位CNOS微型计算机AT89C52，在当前的应用领域，性价比相对较高。为保证微控制单元功能目标的有效实现，可选择多通道模拟开关，为多种信号传感器的设计实现，提供可靠基础。采用独立分离设计模式，设计控制执行单元时，能够保证各个执行单元之间的数据，以更加便捷的方式进行传递与交换。

2.4 控制算法设计

软件设计部分，对于位置控制算法的实现，可采用神经PID算法。利用PID控制独立关节来完成控制任务，能够保证机械波的作业质量与效率；在实际设计过程中，将PID控制与智能控制相结合，形成神经PID算法，能够充分发挥两者的优势，提升控制精度。

2.5 主控计算机程序设计

基于CAN总线下工程机械自动控制系统中的主控计算机的设计，需要从其功能效果的角度出发，在设计过程中，可适当一个主程和两个子程；其中主程的主要责任，包括线程间同步、为线程间的数据传递提供有效通道、管理人机交互界面、显示测控结果。而两个子程中，分别为通信线程与计算线程。以系统的实际需求为依据，在编程过程中，应尽量利用潜在的CPU空闲时间，以最大程度提升应用程序的反应速度。如此才能保证在系统运行期间，主控计算机能够通过CAN总线与各现场控制器进行通信，接收数据并发送指令，以及对相关数据与控制量的有效处理。

3 基于CAN总线下工程机械自动控制系统设计实现

以某工程机械臂自动控制系统软件的设计为例，通过模拟结果分析其设计实现效果。首先，系统当中采用了神经PID算法，在模拟环境当中，检测机械臂上4个关节联动控制下的运动效果，并将其与传统算法下关节的运动情况进行对比。结果显示，在CAN总线的支持下，将关节控制指令传递至各个相应关节，从而有效控制目标关节的角度与角速度等运动轨迹；在自动控制系统中计算程序的作用下，还可以实现对角度、角速度的误差变化的有效计算。对比结果显示，在自动控制系统当中运用神经PID算法，能够提升系统整体的反应速度，且表现出良好的鲁棒性。

在模拟设计结果分析的过程中，对机械臂关节进行了机电捕获实验。实验过程中，由通信系统引导机械臂，使其完成各项操作。实验结果表示，基于CAN总线的工程机械自动控制系统，显著提升了各关节控制器的响应速度，且能够通过对关节的精准控制，实现平滑、稳定的运动过程，在实验过程中发现，机械臂的整个运动过程，基本没有出现过震荡现象。

4 结束语

探究基于CAN总线下工程机械自动控制系统设计，有利于提升相关自动控制系统的可靠性。通过相关分析，充分运用CAN通信效率高、抗干扰能力强等优点，设计工程机械自动控制系统，能够有效弥补传统设计当中，单片机控制方法的不足。在CAN总线技术的支持下，工程机械自动化控制系统结构及设计，均得到了相应简化，且适用于众多领域的应用系统的设计与开发。

参考文献

[1]王爱军.基于CAN总线的船舶电站自动控制系统设计[J].南通航运职业技术学院学报,2015,14(02):23-27.

[2]刘建国.工程机械自动控制与CAN总线的融合[J].装备制造技术,2014(03):157-158.