CN108255098A - 基于总线的伺服机构反馈控制电路及can总线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于总线的伺服机构反馈控制电路及CAN总线通信方法，该伺服机构反馈控制电路包括：两根CAN信号总线，两根CAN信号总线的一端均与至少一个传感器连接；共模电感，两根CAN信号总线的另一端均与共模电感连接，共模电感用于实现信号的波形整形；总线接口收发器，总线接口收发器分别与共模电感和CAN总线控制器连接，CAN总线控制器与主控CPU控制器连接，总线接口收发器用于实现信号的电平转换，并实现至少一个传感器与主控CPU控制器之间的数据通信。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中模拟式反馈电路的舵偏数据传输链路长、易受外部干扰、数据传输精度低以及易引起系统抖动的技术问题。

Description

基于总线的伺服机构反馈控制电路及CAN总线通信方法

技术领域

本发明涉及电动伺服系统中的多节点CAN总线通信以及控制技术领域，尤其涉及一种基于总线的伺服机构反馈控制电路及CAN总线通信方法。

背景技术

目前常见的电动伺服机构反馈电路为模拟式电位计加A/D转换电路，其由滤波电路、A/D转换电路、基准源电路以及采样校准电路组成，反馈精度主要取决于A/D变换电路、基准源的精度以及线性度，前级为模拟信号传输，易引入外部误差干扰，A/D电路转换精度较低，分辨率不满足系统使用要求。再者，前端模拟信号线性度较差，导致系统控制精度变低，不满足高性能伺服机构的要求。控制回路较为复杂导致数据传递精度偏低，并且，基准源精度易受环境温度影响，导致数字信号变换精度变低。这种方式实现的控制电路成本较高、元器件较多、传动链复杂、干扰环节多，不利于低成本伺服系统的应用。同时，基于A/D变换的反馈电路应用在电动伺服机构上，在设计、制造、安装、调试、试验等方面也存在一些缺点和不足：该电路所占印制板面积较大，导致在减轻结构重量、缩小体积，提高产品的环境适应能力等方面给伺服机构设计带来较大的困难，制约了伺服机构的高精度和小型化设计。

发明内容

本发明提供了一种基于总线的伺服机构反馈控制电路及CAN总线通信方法，能够解决现有技术中模拟式反馈电路的舵偏数据传输链路长、易受外部干扰、数据传输精度低以及易引起系统抖动的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种基于总线的伺服机构反馈控制电路，该伺服机构反馈控制电路包括：两根CAN信号总线，两根CAN信号总线的一端均与至少一个传感器连接；共模电感，两根CAN信号总线的另一端均与共模电感连接，共模电感用于实现信号的波形整形；总线接口收发器，总线接口收发器分别与共模电感和CAN总线控制器连接，CAN总线控制器与主控CPU控制器连接，总线接口收发器用于实现信号的电平转换，并实现至少一个传感器与主控CPU控制器之间的数据通信。

进一步地，伺服机构反馈控制电路还包括第一调整电阻，第一调整电阻分别与总线接口收发器和接地端连接，第一调整电阻用于实现波形通信速率的调整，保证整机的电磁兼容性。

进一步地，伺服机构反馈控制电路还包括第一电容，第一电容分别与总线接口收发器和接地端连接，第一电容用于实现电源滤波。

进一步地，伺服机构反馈控制电路还包括第二电阻和第二电容，第二电阻和第二电容串联设置在总线上的设备和接地端之间，第二电阻和第二电容用于吸收外界干扰。

进一步地，伺服机构反馈控制电路还包括匹配电阻，匹配电阻设置在两根CAN信号总线之间，匹配电阻用于防止信号的干扰和反射。

进一步地，至少一个传感器包括舵机电位计。

进一步地，伺服机构反馈控制电路包括四个舵机电位计，四个舵机电位计均与两个CAN信号总线连接。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于伺服机构反馈控制电路的CAN总线通信方法，伺服机构反馈控制电路为如上所述的伺服机构反馈控制电路。

进一步地，CAN总线通信方法包括：CAN总线控制器将待传送的数据按CAN2.0标准发送到CAN总线，CAN总线分别与两根CAN信号总线连接；总线上的接收控制器根据预设验收码和验收屏蔽码判断是否接收数据；如果接收端的接收ID与数据ID一致，则CAN总线控制器将CAN总线上的数据存入相应的邮箱中，并向舵机的主控制器发送中断请求，舵机主控制器响应中断，并将CAN总线控制器邮箱中的数据取出。

应用本发明的技术方案，提供了一种基于总线的伺服机构反馈控制电路，本发明的反馈控制电路省去了复杂的信号处理电路、基准源电路，改为基于总线的通信方式，使得系统信号传输更加简单和可靠，同时减少了元器件，降低了成本，提高了系统控制性能。该种方式既可以满足伺服机构高可靠数字通信，又能够实现伺服结构的小型化和提高可靠性。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的CAN节点总线通信的结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的基于总线的伺服机构反馈控制电路的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1和图2所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于总线的伺服机构反馈控制电路，该伺服机构反馈控制电路包括两根CAN信号总线、共模电感和总线接口收发器，两根CAN信号总线的一端均与至少一个传感器连接，两根CAN信号总线的另一端均与共模电感连接，共模电感用于实现信号的波形整形，总线接口收发器分别与共模电感和CAN总线控制器连接，CAN总线控制器与主控CPU控制器连接，总线接口收发器用于实现信号的电平转换，并实现至少一个传感器与主控CPU控制器之间的数据通信。

应用此种配置方式，提供了一种基于总线的伺服机构反馈控制电路，本发明的反馈控制电路省去了复杂的信号处理电路、基准源电路，改为基于总线的通信方式，使得系统信号传输更加简单和可靠，同时减少了元器件，降低了成本，提高了系统控制性能。该种方式既可以满足伺服机构高可靠数字通信，又能够实现伺服结构的小型化和提高可靠性。

具体地，本发明的伺服机构反馈控制电路依靠两根CAN信号总线进行数据传输，此种方式大大减小了电路设计的难点，使电路在布局布线时更容易实现，可以有效节约电路板的空间体积，同时可有效节约电路设计成本。再者，本发明的伺服机构反馈控制电路去掉了原有的AD芯片、机械式电位计的供电电源模块、基准源芯片和外围电路，可以实现控制器的小型化，同时易于集成，实现系统的集成化设计。因此，本发明的伺服机构反馈控制电路相对于现有技术而言，解决了舵偏数据传输链路长、控制回路复杂、易受外部干扰、数据传输精度低以及易引起系统抖动等技术难题，提高了电动舵系统的性能参数、控制精度以及工作可靠性。

进一步地，在本发明中，可以根据需要增加挂接在总线两端的传感器节点数。作为本发明的一个具体实施例，至少一个传感器包括舵机电位计。如图1所示，伺服机构反馈控制电路包括四个舵机电位计，四个舵机电位计均与两个CAN信号总线连接。

具体地，在本发明中，电动舵机为一体化集成舵机，该一体化集成舵机包括四个舵位，有四个输出轴。将四路角度测量传感器分别装于电动舵机的四个舵轴中，总线信号通过两根CAN信号总线挂接在CAN总线控制器的总线上，通过总线接口收发器完成电平转换，通过共模电感完成波形整形，最终将4路角度信息发送给主控CPU控制器。

作为本发明的一个具体实施例，可采用PCA82C250作为主控CPU控制器内的CAN总线接口的收发器U1，其中，为了防止信号的干扰和反射，可在总线两端增加匹配电阻。匹配电阻设置在两根CAN信号总线之间，匹配电阻用于防止信号的干扰和反射。此外，在总线上还串联设置共模电感T1，以起到共模电感作用。该共模电感T1对共模电压有较大的感抗，差模电压感抗为零，相当于电感滤波，对共模电流有较大的阻碍作用，可以起到波形整形的目的。从硬件设计中可以看出，数字通信电路比模拟传输电路简单的多，并且数字信号在传输过程中不存在传输误差，只要数字量的“0”、“1”信号电平幅值满足要求则电路中传输的数据就不会有偏差。

进一步地，在本发明中，为了调整波形通信速率，可将伺服机构反馈控制电路配置为还包括第一调整电阻R1，第一调整电阻R1分别与总线接口收发器U1和接地端GND连接，第一调整电阻R1用于实现波形通信速率的调整，保证整机的电磁兼容性。

应用此种配置方式，通过减小第一调整电阻R1的阻值，可以增大波形传播上升沿的速率，通过增大第一调整电阻R1的阻值，可以减小波形传播上升沿的速率，由此实现波形通信速率的调整，保证整机的电磁兼容性。具体地，如图2所示，第一调整电阻R1的一端与总线接口收发器U1的RS端口连接，第一调整电阻R1的另一端和接地端GND连接。

进一步地，在本发明中，为了实现电源滤波，以过滤掉高频电源干扰，可将伺服机构反馈控制电路配置为还包括第一电容C1，第一电容C1分别与总线接口收发器U1和接地端GND连接，第一电容C1用于实现电源滤波。具体地，如图2所示，第一电容C1的一端与总线接口收发器U1的VCC端口连接，第一电容C1的另一端与接地端GND连接。

此外，在本发明中，为了吸收外界干扰，对静电等产生屏蔽，可将伺服机构反馈控制电路配置为还包括第二电阻R2和第二电容C2，第二电阻R2和第二电容C2串联设置在总线上的设备和接地端GND之间，第二电阻R2和第二电容C2形成一个回路以用于吸收外界干扰。如图2所示，第二电阻R2的一端与总线上的设备CAN_SHLD的端口连接，第二电阻R2的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与接地端GND连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于伺服机构反馈控制电路的CAN总线通信方法，该伺服机构反馈控制电路为如上所述的伺服机构反馈控制电路。在本发明中，由于CAN总线只有两条数据总线，在通信时如何有效的将特定信号数据从总线中识别出来就是软件设计要考虑的重要环节。

本发明的CAN总线通信方法包括：CAN总线控制器将待传送的数据按CAN2.0标准发送到CAN总线，CAN总线分别与两根CAN信号总线连接；总线上的接收控制器根据预设验收码和验收屏蔽码判断是否接收数据；如果接收端的接收ID与数据ID一致，则CAN总线控制器将CAN总线上的数据存入相应的邮箱中，并向舵机的主控制器发送中断请求，舵机主控制器响应中断，并将CAN总线控制器邮箱中的数据取出。

应用此种配置方式，CAN总线以报文为单位进行数据传送，节点对总线的访问采取位仲裁方式，报文起始发送节点标识符有源标识符和目的标识符组成，标识符越小则帧数据的优先级越高。通过数据链路控制，每个接收器完成帧接收滤波确定此帧是否接收，CAN使用差分电压传送，两条CAN信号总线称为CANL以及CANH，静态时均为2.5V左右，此状态表示逻辑“1”，CANH比CANL高时表示逻辑“0”。CAN总线发送的每一条报文都有一个唯一的数字ID号，只有当接收端的接收ID与数据ID号一直时数据才被有效接收。

具体地，当本节点需要向其它节点传送数据时，CAN总线控制器将需要传送的数据按CAN2.0标准发送到CAN总线上，总线上接收控制器根据设计好的验收码和验收屏蔽码来判断是否接收该数据，如果标识符通过本节点验收滤波器，即接收端的接收ID与数据ID一致，则CAN总线控制器将CAN总线上的数据存入相应的邮箱中，并向舵机主控制器发送中断请求，舵机主控制器响应中断，将CAN控制器邮箱中的数据取出。由此即完成了CAN总线的数据通信。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1和图2对本发明的基于总线的伺服机构反馈控制电路进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明的伺服机构反馈控制电路包括总线接口收发器U1、共模电感T1、第一调整电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2和第二电容C2，其中，采用PCA82C250作为主控CPU控制器内的CAN总线接口的收发器，在总线两端增加120Ω的总线匹配电阻以防止信号的干扰和反射。总线上串联共模电感T1，以起到共模电感作用。共模电感T1对共模电压有较大的感抗，差模电压感抗为零，相当于电感滤波，对共模电流有较大的阻碍作用，实现波形整形的目的。

第一调整电阻R1分别与总线接口收发器U1的RS端口和接地端GND连接，通过减小第一调整电阻R1的阻值，可以增大波形传播上升沿的速率，通过增大第一调整电阻R1的阻值，可以减小波形传播上升沿的速率，由此实现波形通信速率的调整，保证整机的电磁兼容性。第一电容C1分别与总线接口收发器U1和接地端GND连接，第一电容C1用于实现电源滤波，以过滤掉高频电源干扰。第二电阻R2和第二电容C2串联设置在总线上的设备和接地端GND之间，第二电阻R2和第二电容C2形成一个回路，用于吸收外界干扰，起到屏蔽静电的作用。本实施例所提供的伺服机构反馈控制电路结构简单，占用空间小，在PCB中布局灵活，成本较低，且可根据需要增加挂接在总线两端的传感器节点数，通信可靠性高，适合宽温度工作，具有很强的通用性。

综上所述，本发明的基于总线的伺服机构反馈控制电路相对于现有技术而言，具有以下优点。

第一，采用基于总线式传感器的反馈控制电路替代传模拟信号传输的反馈电路，去掉A/D变换电路，使系统输出及控制实现数字化。

第二，结构简单，占用空间小，在PCB中布局灵活，成本较低，且可根据需要增加挂接在总线两端的传感器节点数，通信可靠性高，适合宽温度工作，具有很强的通用性；

第三，去掉了原有的机械式电位计的供电电源模块、基准源芯片和外围电路，可以实现控制器的小型化，同时易于集成，实现系统的集成化设计；

第四，本发明的反馈控制电路依靠两根CAN信号总线进行数据传输大大减小了电路设计的难点，使电路在布局布线时更容易实现，可以有效节约电路板的空间体积，同时可有效节约电路设计成本。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于总线的伺服机构反馈控制电路，其特征在于，所述伺服机构反馈控制电路包括：

两根CAN信号总线，两根所述CAN信号总线的一端均与至少一个传感器连接；

共模电感，两根所述CAN信号总线的另一端均与所述共模电感连接，所述共模电感用于实现信号的波形整形；

总线接口收发器，所述总线接口收发器分别与所述共模电感和CAN总线控制器连接，所述CAN总线控制器与主控CPU控制器连接，所述总线接口收发器用于实现信号的电平转换，并实现至少一个所述传感器与所述主控CPU控制器之间的数据通信。

2.根据权利要求1所述的基于总线的伺服机构反馈控制电路，其特征在于，所述伺服机构反馈控制电路还包括第一调整电阻，所述第一调整电阻分别与所述总线接口收发器和接地端连接，所述第一调整电阻用于实现波形通信速率的调整，保证整机的电磁兼容性。

3.根据权利要求2所述的基于总线的伺服机构反馈控制电路，其特征在于，所述伺服机构反馈控制电路还包括第一电容，所述第一电容分别与所述总线接口收发器和接地端连接，所述第一电容用于实现电源滤波。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于总线的伺服机构反馈控制电路，其特征在于，所述伺服机构反馈控制电路还包括第二电阻和第二电容，所述第二电阻和所述第二电容串联设置在总线上的设备和接地端之间，所述第二电阻和所述第二电容用于吸收外界干扰。

5.根据权利要求4所述的基于总线的伺服机构反馈控制电路，其特征在于，所述伺服机构反馈控制电路还包括匹配电阻，所述匹配电阻设置在两根CAN信号总线之间，所述匹配电阻用于防止信号的干扰和反射。

6.根据权利要求1所述的基于总线的伺服机构反馈控制电路，其特征在于，至少一个传感器包括舵机电位计。

7.根据权利要求6所述的基于总线的伺服机构反馈控制电路，其特征在于，所述伺服机构反馈控制电路包括四个舵机电位计，四个舵机电位计均与两个CAN信号总线连接。

8.一种用于伺服机构反馈控制电路的CAN总线通信方法，其特征在于，所述伺服机构反馈控制电路为权利要求1至7中任一项所述的伺服机构反馈控制电路。

9.根据权利要求8所述的CAN总线通信方法，其特征在于，CAN总线通信方法包括：

CAN总线控制器将待传送的数据按CAN2.0标准发送到CAN总线，所述CAN总线分别与两根CAN信号总线连接；

总线上的接收控制器根据预设验收码和验收屏蔽码判断是否接收所述数据；

如果接收端的接收ID与数据ID一致，则CAN总线控制器将所述CAN总线上的数据存入相应的邮箱中，并向舵机的主控制器发送中断请求，舵机主控制器响应中断，并将CAN总线控制器邮箱中的数据取出。