嵌入式電磁調速采煤機速度反饋環節的實現

張源等

摘 要：采煤機速度反饋在采煤機速度調節方面占有相當大的比重，而速度調節直接影響采煤機的工作狀態。由于在采煤機速度反饋環節存在反饋的信號誤差較大、響應速度慢、抗干擾能力差等問題且現階段利用單片機、PLC、DSP等作為CPU控制速度反饋環節容易使反饋環節中參數漂移，控制精度相對而言不夠精確，針對以上情況文章提出了以ARM11為控制核心，基于CANopen協議速度反饋環節的Linux嵌入式操作系統，同時采用PID雙閉環調速控制。結果證明，采用此方案提高了采煤機速度反饋的準確度、速度的穩定性、加快了速度反饋的響應。

關鍵詞：速度反饋；Canopen；嵌入式；PID；控制；穩定性

引言

隨著采煤技術的日益發展，電磁調速電牽引采煤機迅速推廣開來，這種電磁調速較其他采煤機來說其控制相對簡單，且滑差式電磁調速采煤機具有裝機功率大，牽引速度快，牽引力大的優點。在牽引方面只需控制勵磁電流即可對采煤機速度進行調節。為使采煤機牽引運行時速度處于穩定的變化，人們在速度采集、速度反饋處理方面進行不斷地完善，在速度采集方面一般用485協議的軸角編碼器采集負載軸速度；用單片機、DSP、FPGA作為CPU另輔以PID雙閉環控制去處理電牽引速度。以上速度反饋控制方式雖然在一定條件下滿足一定的需求，但是其控制準確性相對較低，且對于其模擬量相互影響較大，參數易于漂移[1]，對于用以上CPU控制電流、速度環時，CPU只能單一的去處理，從而影響了速度的響應時間。近階段嵌入式在醫療、航空、交通、工控領域的廣泛應用，并且其具有強大的處理數據的能力，具有極高的穩定性。根據現階段采煤機反饋存在的問題和CANopen協議與嵌入式配合在工控方面的優勢，本文設計出了利用CANopen協議的高精度的軸角編碼器進行速度采集，在ARM11上嵌入具有CANopen協議的Linux操作系統對速度反饋、電流反饋實行多線程控制的方案。此方案的特點是利用操作系統控制速度反饋，減小反饋滯后時間，增強速度反饋控制精度，提高反饋的穩定性。

1 系統工作原理

電磁調速采煤機速度反饋原理如圖1所示。當牽引異步電動機啟動時，其帶動滑差離合器一起旋轉，由于滑差離合器由電樞、磁極和勵磁線圈三部分組成，電樞旋轉時它便切割由勵磁線圈產生的磁場，從而產生轉矩帶動負載軸旋轉。當負載軸旋轉時，通過GMX系列的CANopen協議軸角編碼器進行測速，測量的脈沖數經過CANopen協議傳輸到以ARM11為控制核心的操作系統中，操作系統通過定時器計算出當前的速度，通過編寫的PID程序通過與給定值的比較進行調節，然后通過D/A轉換輸出4-20mA電流，再經上拉電阻產生電壓信號。與此同時滑差離合器的勵磁電流經霍爾式電流變送器器傳到操作系統中，操作系統通過PID調節計算出的電流信號通過PID電流環進行調節，產生的模擬量信號通過驅動器進行速度的調節[2-7]。

2 硬件電路設計

硬件電路由ARM及其外圍電路組成如圖2所示，為了保障CPU不受外界的干擾，ARM與外界通信全都要光電隔離。速度采集模塊由絕對值軸角編碼器組成，電流采集模塊用霍爾效應式電流變送器作為傳感器，其通信協議為Modbus。

2.1 ARM11處理器

處理器選用了三星的S3C6410，其內部集成了ARM11微處理器，ARM11處理器為ARMv6架構，它保持了所有過去架構中的T（Thumb指令）和E（DSP指令）擴展，使代碼壓縮和DSP處理特點得到延續；微處理器支持高速MMC和SD卡，具有實時時鐘，看門狗定時器同時具有I2C總線串口，SPI接口。由于S3C6410具有多種存儲器接口和MMU，為 Linux系統移植到ARM11微處理器中提供了方便。

為使系統運行流暢，RAM存儲器選用大小為64M，ROM選擇三星2Gflash內存。由于處理器集成了4個全雙工的串口，選擇串口1作為Linux命令控制臺，它作為系統的一個標準終端去配置系統驅動、更改文件系統、查看系統進程、管理系統服務、上傳和下載程序等。由于微處理器支持高速的SD卡，為將數據存儲到外置其他系統提供了便利。另外S3C6410支持外部SD卡存儲器，因此用戶可以在SD卡中存入鏡像操作系統，在燒錄時，用戶可以將鏡像文件燒錄到處理器中。

2.2 CANopen軸角編碼器

軸角編碼器采用GMX425系列軸角編碼器，此編碼器為CANopen高速總線型編碼器，碼盤為絕對值碼盤且信號無干擾、零點無漂移提高了速度采集的穩定性。在運行時編碼器可以最高連續轉4096圈，其分辨率為每圈12位，由于其每圈產生4096個脈沖，即便丟失脈沖對速度產生的影響也相當小，此編碼器較其他編碼器而言滿足了速度反饋的精度需求，使速度響應的滯后性相對減小。編碼器支持的CAN波特率為10KHZ-1000KHZ不等，為數據傳輸選擇提供方便。

2.3 電流變送器

對于PID調節的電流環，它通過調節電流的大小達到調速的目的，由于在電流環中，電流不但為輸出的電流，而且是反饋的電流，因此電流變送器精度的高低直接影響控制系統的靈敏度和精度。根據此情況電流變送器選擇為JLB12電流變送器，其輸入與輸出端是全隔離的，輸出端為標準的4-20mA信號，此信號傳輸到CPU中。此電流變送器具有標準導軌安裝、精度高、線性度好、反應快、低溫漂、頻帶寬抗干擾能力強、無插入損耗等特點，滿足速度反饋對電流變送器的要求。

3 軟件設計

在軟件方面包括基于ARM11的主程序、Modbus協議程序、具有CANopen協議的Linux嵌入式系統程序、PID程序，本文將針對PID程序、Modbus協議、基于CANopen協議的Linux嵌入式系統程序進行分析[8]。

3.1 PID程序

當采煤機處于牽引運行狀態時，運行速度既不能過低也不能過高，運行速度過低導致勵磁電流過低間接地導致電動機停轉。如果速度過高會導致電機超載。所以在PID程序中要設置中斷程序，當過程值達到速度的上限或下限時執行中斷程序使勵磁電流在設定值范圍內進行調節[9]。其 PID框圖如圖3所示。

3.2 Modbus協議

Modbus協議為現場總線型的通訊協議，可以支持多種電氣接口如232、485等，它可以在多種介質中進行傳遞如雙絞線、光纖、無線等，Modbus的幀格式簡單、緊湊，其發送的格式為8位為1幀。Modbus傳輸形式有ASCII和RTU方式，對于本文使用的為RTU模式，其發送或接收的每一幀數據包括1個起始位、8個數據位（最小的有效位先發送）、1個奇偶校驗位和1個停止位（有校驗時，無校驗時為2個Bit）。當Modbus通信時其采用主從結構技術即主設備能初始化傳輸（查詢），其它設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應，本文采用的為Modbus從站設備，功能碼為03（讀），相應的功能碼06為寫功能。在速度反饋系統中，電流變送器將采集到的勵磁電流傳入到嵌入式系統中，在CPU中需要對Modbus從站進行配置，其初始化子程序如下：

void ModInit（u8 Id）

{ ModBus_PointToRcvBuf=ModBus_RcvBuffer；

ModBus_PointToSendBuf=ModBus_SendBuffer；

ModBus_SendNum=1；

ModBus_Id=Id；

ModBus_RcvBuffer[1]=ModBus_Id；

ModBus_SendBuffer[1]=ModBus_Id；

ModBus_ComuBusy=0；

USART_init（）；

Timer2_init（）；

RX_485；

enableInterrupts（）；

}

3.3 CANopen協議的Linux嵌入式系統

CANopen是在CAL基礎上開發的，使用了CAL通訊和服務協議子集，提供了分布式控制系統的一種實現方案。CANopen可以在保證網絡節點互用性的同時允許節點的功能隨意擴展。在CANopen網絡中每個節點都有一個對象詞典且其由一系列的子協議文檔組成，在通訊中其模型定義了4種報文，分別為管理報文、服務數據對象SDO、過程數據對象PDO、預定義報文或特殊功能對象，CANopen通訊結構如圖4所示

本文將CANopen協議棧嵌入到以ARM11為核心的系統，需要對內核進行裁剪，其內核包括OB模塊、PDO模塊、SDO模塊、同步模塊等，這些模塊能各自在自己的子協議中完成對應的功能。移植CANopen協議主要對底層程序的DLL.C文件移植，在移植中，要先初始化CAN寄存器，對發送、接收等數據函數進行修改。本文將CANopen協議嵌入到操作系統中去解決了總線控制、沖突檢測、鏈路維護等問題，使速度反饋信號的傳輸更加穩定。

Linux 是遵循通用公共許可證 GPL 協議的開源操作系統，其內核可根據需要任意裁剪、定制，硬件支持非常廣泛。嵌入式Linux操作系統源代碼開放，免費，可靠性高，支持多種軟件和通信協議，內核強大，性能高效穩定，協調多線程、多任務工作，大小功能都可定制，具有豐富硬件驅動資源和強大的網絡通信功能?；诒疚倪x用的ARM11控制器，因此嵌入Linux操作系統是相當方便的。嵌入Linux操作系統可以多線程傳輸數據，解決了單片機單線傳輸數據的局限性，提高了系統的處理的精確度，減小了系統反應時間。對于Linux操作系統嵌入到以ARM11為核心的控制器，首先要構建交叉的編譯環境，其次引導加載程序，再次要配置和裁剪內核，之后搭載文件系統其存放著系統運行時所必須的各種工具軟件、配置文件、腳本、庫文件等，搭載的文件系統存到ARM11配置的2G Flash內存中，移植系統最后步驟為開發驅動程序，完成了所有步驟即將Linux操作系統嵌入到ARM11中[10-13]。其流程如圖5所示。

4 實驗及仿真

將搭載好的Linux嵌入式系統放在恒溫箱中以模擬不同環境測量其穩定性，實驗數據表明搭載的嵌入式系統是穩定可靠的。根據速度閉環和電流閉環的傳遞函數用軟件搭載速度反饋環節的仿真系統。在操作系統中，進行PID仿真時，設置目標轉速為70r/min，調節參數KP=0.491，KI=0.028，KD=0.003，采樣時間為1s。在PID開始時，其仿真圖如圖6，其中a代表設定值，b代表調節值，c代表輸出值。

當人為加入擾動時，其PID仿真圖如圖7。

當PID調節穩定時，其PID仿真圖如圖8。

從出現擾動到PID調節穩定期響應速度在1s之內，由此看出加入嵌入式系統對PID反饋調節的作用。

5 結束語

針對之前單片機等芯片控制的電磁調速采煤機速度反饋出現的參數漂移，速度反饋不靈敏，實時性差等問題，本文提出了基于Linux嵌入式系統，ARM11為核心的系統方案，同時系統內嵌CANopen和Modbus協議，采用了高精度的CANopen軸角編碼器和電流變送器，通過實驗和仿真證明應用本方案極大程度減弱了參數漂移問題，使系統處理接收信號的時間更短，采集的信號更加準確，實時性更強。

參考文獻

[1]劉建功.電磁調速電牽引采煤機控制系統[M].北京：煤炭工業出版社，2006：53-127.

[2]朱秀，謝子殿，石磊.基于電磁調速的電牽引采煤機調速控制器設計[J].煤炭科學技術，2008，36（8）：70-72.

[3]吳浩，王巍，李小波，等.基于單片機的電磁調速電牽引采煤機調速系統[J].煤炭科學技術，2005，33（5）：8-11.

[4]黃知超，張科偉，謝霞，等.基于速度反饋的直流電動機復合控制方法[J].工礦自動化，2013，39（12）65-67.

[5]李為民，姜漫.基于光電編碼器的速度反饋與控制技術[J].工控技術，2004，6（24）：84-88.

[6]劉建功，王汝琳.電磁調速電牽引采煤機制動運行的分析與應用[J].煤炭科學技術，2003，31（12）：5-7.

[7]歐衛斌.直流雙閉環調速系統及其模糊控制的仿真[J].工礦自動化，2010，35（3）：58-60.

[8]李小波，吳浩，張長城.電磁調速電牽引采煤機直流微機調速系統研究[J].礦山機械，2005，33（3）：11-12.

[9]劉俠，謝子殿.基于模糊控制的電磁調速采煤機控制系統的設計[J].工業控制計算機，2009，22（5）：55-58.

[10]姜俊輝.基于ARM的嵌入式系統硬件設計[J].微計算機信息，2005，21（2）：119-122.

[11]王俊波，胥布工.CANopen協議分析與實現[J].嵌入式網絡技術應用，2006，22（2）：104-106.

[12]任瑋蒙，陶維青.基于CAN總線的高層協議CANopen[J].自動化技術與應用，2007，26（4）：128-130.

[13]田家林，陳利學，寇向輝.LINUX嵌入式操作系統在ARM上的移植[J].微計算機信息，2007，23（4）：60-62.

作者簡介：張源（1990-），男，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。

3.2 Modbus協議

Modbus協議為現場總線型的通訊協議，可以支持多種電氣接口如232、485等，它可以在多種介質中進行傳遞如雙絞線、光纖、無線等，Modbus的幀格式簡單、緊湊，其發送的格式為8位為1幀。Modbus傳輸形式有ASCII和RTU方式，對于本文使用的為RTU模式，其發送或接收的每一幀數據包括1個起始位、8個數據位（最小的有效位先發送）、1個奇偶校驗位和1個停止位（有校驗時，無校驗時為2個Bit）。當Modbus通信時其采用主從結構技術即主設備能初始化傳輸（查詢），其它設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應，本文采用的為Modbus從站設備，功能碼為03（讀），相應的功能碼06為寫功能。在速度反饋系統中，電流變送器將采集到的勵磁電流傳入到嵌入式系統中，在CPU中需要對Modbus從站進行配置，其初始化子程序如下：

void ModInit（u8 Id）

{ ModBus_PointToRcvBuf=ModBus_RcvBuffer；

ModBus_PointToSendBuf=ModBus_SendBuffer；

ModBus_SendNum=1；

ModBus_Id=Id；

ModBus_RcvBuffer[1]=ModBus_Id；

ModBus_SendBuffer[1]=ModBus_Id；

ModBus_ComuBusy=0；

USART_init（）；

Timer2_init（）；

RX_485；

enableInterrupts（）；

}

3.3 CANopen協議的Linux嵌入式系統

CANopen是在CAL基礎上開發的，使用了CAL通訊和服務協議子集，提供了分布式控制系統的一種實現方案。CANopen可以在保證網絡節點互用性的同時允許節點的功能隨意擴展。在CANopen網絡中每個節點都有一個對象詞典且其由一系列的子協議文檔組成，在通訊中其模型定義了4種報文，分別為管理報文、服務數據對象SDO、過程數據對象PDO、預定義報文或特殊功能對象，CANopen通訊結構如圖4所示

本文將CANopen協議棧嵌入到以ARM11為核心的系統，需要對內核進行裁剪，其內核包括OB模塊、PDO模塊、SDO模塊、同步模塊等，這些模塊能各自在自己的子協議中完成對應的功能。移植CANopen協議主要對底層程序的DLL.C文件移植，在移植中，要先初始化CAN寄存器，對發送、接收等數據函數進行修改。本文將CANopen協議嵌入到操作系統中去解決了總線控制、沖突檢測、鏈路維護等問題，使速度反饋信號的傳輸更加穩定。

Linux 是遵循通用公共許可證 GPL 協議的開源操作系統，其內核可根據需要任意裁剪、定制，硬件支持非常廣泛。嵌入式Linux操作系統源代碼開放，免費，可靠性高，支持多種軟件和通信協議，內核強大，性能高效穩定，協調多線程、多任務工作，大小功能都可定制，具有豐富硬件驅動資源和強大的網絡通信功能?；诒疚倪x用的ARM11控制器，因此嵌入Linux操作系統是相當方便的。嵌入Linux操作系統可以多線程傳輸數據，解決了單片機單線傳輸數據的局限性，提高了系統的處理的精確度，減小了系統反應時間。對于Linux操作系統嵌入到以ARM11為核心的控制器，首先要構建交叉的編譯環境，其次引導加載程序，再次要配置和裁剪內核，之后搭載文件系統其存放著系統運行時所必須的各種工具軟件、配置文件、腳本、庫文件等，搭載的文件系統存到ARM11配置的2G Flash內存中，移植系統最后步驟為開發驅動程序，完成了所有步驟即將Linux操作系統嵌入到ARM11中[10-13]。其流程如圖5所示。

4 實驗及仿真

將搭載好的Linux嵌入式系統放在恒溫箱中以模擬不同環境測量其穩定性，實驗數據表明搭載的嵌入式系統是穩定可靠的。根據速度閉環和電流閉環的傳遞函數用軟件搭載速度反饋環節的仿真系統。在操作系統中，進行PID仿真時，設置目標轉速為70r/min，調節參數KP=0.491，KI=0.028，KD=0.003，采樣時間為1s。在PID開始時，其仿真圖如圖6，其中a代表設定值，b代表調節值，c代表輸出值。

當人為加入擾動時，其PID仿真圖如圖7。

當PID調節穩定時，其PID仿真圖如圖8。

從出現擾動到PID調節穩定期響應速度在1s之內，由此看出加入嵌入式系統對PID反饋調節的作用。

5 結束語

針對之前單片機等芯片控制的電磁調速采煤機速度反饋出現的參數漂移，速度反饋不靈敏，實時性差等問題，本文提出了基于Linux嵌入式系統，ARM11為核心的系統方案，同時系統內嵌CANopen和Modbus協議，采用了高精度的CANopen軸角編碼器和電流變送器，通過實驗和仿真證明應用本方案極大程度減弱了參數漂移問題，使系統處理接收信號的時間更短，采集的信號更加準確，實時性更強。

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作者簡介：張源（1990-），男，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。

3.2 Modbus協議

Modbus協議為現場總線型的通訊協議，可以支持多種電氣接口如232、485等，它可以在多種介質中進行傳遞如雙絞線、光纖、無線等，Modbus的幀格式簡單、緊湊，其發送的格式為8位為1幀。Modbus傳輸形式有ASCII和RTU方式，對于本文使用的為RTU模式，其發送或接收的每一幀數據包括1個起始位、8個數據位（最小的有效位先發送）、1個奇偶校驗位和1個停止位（有校驗時，無校驗時為2個Bit）。當Modbus通信時其采用主從結構技術即主設備能初始化傳輸（查詢），其它設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應，本文采用的為Modbus從站設備，功能碼為03（讀），相應的功能碼06為寫功能。在速度反饋系統中，電流變送器將采集到的勵磁電流傳入到嵌入式系統中，在CPU中需要對Modbus從站進行配置，其初始化子程序如下：

void ModInit（u8 Id）

{ ModBus_PointToRcvBuf=ModBus_RcvBuffer；

ModBus_PointToSendBuf=ModBus_SendBuffer；

ModBus_SendNum=1；

ModBus_Id=Id；

ModBus_RcvBuffer[1]=ModBus_Id；

ModBus_SendBuffer[1]=ModBus_Id；

ModBus_ComuBusy=0；

USART_init（）；

Timer2_init（）；

RX_485；

enableInterrupts（）；

}

3.3 CANopen協議的Linux嵌入式系統

CANopen是在CAL基礎上開發的，使用了CAL通訊和服務協議子集，提供了分布式控制系統的一種實現方案。CANopen可以在保證網絡節點互用性的同時允許節點的功能隨意擴展。在CANopen網絡中每個節點都有一個對象詞典且其由一系列的子協議文檔組成，在通訊中其模型定義了4種報文，分別為管理報文、服務數據對象SDO、過程數據對象PDO、預定義報文或特殊功能對象，CANopen通訊結構如圖4所示

本文將CANopen協議棧嵌入到以ARM11為核心的系統，需要對內核進行裁剪，其內核包括OB模塊、PDO模塊、SDO模塊、同步模塊等，這些模塊能各自在自己的子協議中完成對應的功能。移植CANopen協議主要對底層程序的DLL.C文件移植，在移植中，要先初始化CAN寄存器，對發送、接收等數據函數進行修改。本文將CANopen協議嵌入到操作系統中去解決了總線控制、沖突檢測、鏈路維護等問題，使速度反饋信號的傳輸更加穩定。

Linux 是遵循通用公共許可證 GPL 協議的開源操作系統，其內核可根據需要任意裁剪、定制，硬件支持非常廣泛。嵌入式Linux操作系統源代碼開放，免費，可靠性高，支持多種軟件和通信協議，內核強大，性能高效穩定，協調多線程、多任務工作，大小功能都可定制，具有豐富硬件驅動資源和強大的網絡通信功能?；诒疚倪x用的ARM11控制器，因此嵌入Linux操作系統是相當方便的。嵌入Linux操作系統可以多線程傳輸數據，解決了單片機單線傳輸數據的局限性，提高了系統的處理的精確度，減小了系統反應時間。對于Linux操作系統嵌入到以ARM11為核心的控制器，首先要構建交叉的編譯環境，其次引導加載程序，再次要配置和裁剪內核，之后搭載文件系統其存放著系統運行時所必須的各種工具軟件、配置文件、腳本、庫文件等，搭載的文件系統存到ARM11配置的2G Flash內存中，移植系統最后步驟為開發驅動程序，完成了所有步驟即將Linux操作系統嵌入到ARM11中[10-13]。其流程如圖5所示。

4 實驗及仿真

將搭載好的Linux嵌入式系統放在恒溫箱中以模擬不同環境測量其穩定性，實驗數據表明搭載的嵌入式系統是穩定可靠的。根據速度閉環和電流閉環的傳遞函數用軟件搭載速度反饋環節的仿真系統。在操作系統中，進行PID仿真時，設置目標轉速為70r/min，調節參數KP=0.491，KI=0.028，KD=0.003，采樣時間為1s。在PID開始時，其仿真圖如圖6，其中a代表設定值，b代表調節值，c代表輸出值。

當人為加入擾動時，其PID仿真圖如圖7。

當PID調節穩定時，其PID仿真圖如圖8。

從出現擾動到PID調節穩定期響應速度在1s之內，由此看出加入嵌入式系統對PID反饋調節的作用。

5 結束語

針對之前單片機等芯片控制的電磁調速采煤機速度反饋出現的參數漂移，速度反饋不靈敏，實時性差等問題，本文提出了基于Linux嵌入式系統，ARM11為核心的系統方案，同時系統內嵌CANopen和Modbus協議，采用了高精度的CANopen軸角編碼器和電流變送器，通過實驗和仿真證明應用本方案極大程度減弱了參數漂移問題，使系統處理接收信號的時間更短，采集的信號更加準確，實時性更強。

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[8]李小波，吳浩，張長城.電磁調速電牽引采煤機直流微機調速系統研究[J].礦山機械，2005，33（3）：11-12.

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[12]任瑋蒙，陶維青.基于CAN總線的高層協議CANopen[J].自動化技術與應用，2007，26（4）：128-130.

[13]田家林，陳利學，寇向輝.LINUX嵌入式操作系統在ARM上的移植[J].微計算機信息，2007，23（4）：60-62.

作者簡介：張源（1990-），男，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。