张源等
摘 要:采煤机速度反馈在采煤机速度调节方面占有相当大的比重,而速度调节直接影响采煤机的工作状态。由于在采煤机速度反馈环节存在反馈的信号误差较大、响应速度慢、抗干扰能力差等问题且现阶段利用单片机、PLC、DSP等作为CPU控制速度反馈环节容易使反馈环节中参数漂移,控制精度相对而言不够精确,针对以上情况文章提出了以ARM11为控制核心,基于CANopen协议速度反馈环节的Linux嵌入式操作系统,同时采用PID双闭环调速控制。结果证明,采用此方案提高了采煤机速度反馈的准确度、速度的稳定性、加快了速度反馈的响应。
关键词:速度反馈;Canopen;嵌入式;PID;控制;稳定性
引言
随着采煤技术的日益发展,电磁调速电牵引采煤机迅速推广开来,这种电磁调速较其他采煤机来说其控制相对简单,且滑差式电磁调速采煤机具有装机功率大,牵引速度快,牵引力大的优点。在牵引方面只需控制励磁电流即可对采煤机速度进行调节。为使采煤机牵引运行时速度处于稳定的变化,人们在速度采集、速度反馈处理方面进行不断地完善,在速度采集方面一般用485协议的轴角编码器采集负载轴速度;用单片机、DSP、FPGA作为CPU另辅以PID双闭环控制去处理电牵引速度。以上速度反馈控制方式虽然在一定条件下满足一定的需求,但是其控制准确性相对较低,且对于其模拟量相互影响较大,参数易于漂移[1],对于用以上CPU控制电流、速度环时,CPU只能单一的去处理,从而影响了速度的响应时间。近阶段嵌入式在医疗、航空、交通、工控领域的广泛应用,并且其具有强大的处理数据的能力,具有极高的稳定性。根据现阶段采煤机反馈存在的问题和CANopen协议与嵌入式配合在工控方面的优势,本文设计出了利用CANopen协议的高精度的轴角编码器进行速度采集,在ARM11上嵌入具有CANopen协议的Linux操作系统对速度反馈、电流反馈实行多线程控制的方案。此方案的特点是利用操作系统控制速度反馈,减小反馈滞后时间,增强速度反馈控制精度,提高反馈的稳定性。
1 系统工作原理
电磁调速采煤机速度反馈原理如图1所示。当牵引异步电动机启动时,其带动滑差离合器一起旋转,由于滑差离合器由电枢、磁极和励磁线圈三部分组成,电枢旋转时它便切割由励磁线圈产生的磁场,从而产生转矩带动负载轴旋转。当负载轴旋转时,通过GMX系列的CANopen协议轴角编码器进行测速,测量的脉冲数经过CANopen协议传输到以ARM11为控制核心的操作系统中,操作系统通过定时器计算出当前的速度,通过编写的PID程序通过与给定值的比较进行调节,然后通过D/A转换输出4-20mA电流,再经上拉电阻产生电压信号。与此同时滑差离合器的励磁电流经霍尔式电流变送器器传到操作系统中,操作系统通过PID调节计算出的电流信号通过PID电流环进行调节,产生的模拟量信号通过驱动器进行速度的调节[2-7]。
2 硬件电路设计
硬件电路由ARM及其外围电路组成如图2所示,为了保障CPU不受外界的干扰,ARM与外界通信全都要光电隔离。速度采集模块由绝对值轴角编码器组成,电流采集模块用霍尔效应式电流变送器作为传感器,其通信协议为Modbus。
2.1 ARM11处理器
处理器选用了三星的S3C6410,其内部集成了ARM11微处理器,ARM11处理器为ARMv6架构,它保持了所有过去架构中的T(Thumb指令)和E(DSP指令)扩展,使代码压缩和DSP处理特点得到延续;微处理器支持高速MMC和SD卡,具有实时时钟,看门狗定时器同时具有I2C总线串口,SPI接口。由于S3C6410具有多种存储器接口和MMU,为 Linux系统移植到ARM11微处理器中提供了方便。
为使系统运行流畅,RAM存储器选用大小为64M,ROM选择三星2Gflash内存。由于处理器集成了4个全双工的串口,选择串口1作为Linux命令控制台,它作为系统的一个标准终端去配置系统驱动、更改文件系统、查看系统进程、管理系统服务、上传和下载程序等。由于微处理器支持高速的SD卡,为将数据存储到外置其他系统提供了便利。另外S3C6410支持外部SD卡存储器,因此用户可以在SD卡中存入镜像操作系统,在烧录时,用户可以将镜像文件烧录到处理器中。
2.2 CANopen轴角编码器
轴角编码器采用GMX425系列轴角编码器,此编码器为CANopen高速总线型编码器,码盘为绝对值码盘且信号无干扰、零点无漂移提高了速度采集的稳定性。在运行时编码器可以最高连续转4096圈,其分辨率为每圈12位,由于其每圈产生4096个脉冲,即便丢失脉冲对速度产生的影响也相当小,此编码器较其他编码器而言满足了速度反馈的精度需求,使速度响应的滞后性相对减小。编码器支持的CAN波特率为10KHZ-1000KHZ不等,为数据传输选择提供方便。
2.3 电流变送器
对于PID调节的电流环,它通过调节电流的大小达到调速的目的,由于在电流环中,电流不但为输出的电流,而且是反馈的电流,因此电流变送器精度的高低直接影响控制系统的灵敏度和精度。根据此情况电流变送器选择为JLB12电流变送器,其输入与输出端是全隔离的,输出端为标准的4-20mA信号,此信号传输到CPU中。此电流变送器具有标准导轨安装、精度高、线性度好、反应快、低温漂、频带宽抗干扰能力强、无插入损耗等特点,满足速度反馈对电流变送器的要求。
3 软件设计
在软件方面包括基于ARM11的主程序、Modbus协议程序、具有CANopen协议的Linux嵌入式系统程序、PID程序,本文将针对PID程序、Modbus协议、基于CANopen协议的Linux嵌入式系统程序进行分析[8]。
3.1 PID程序
当采煤机处于牵引运行状态时,运行速度既不能过低也不能过高,运行速度过低导致励磁电流过低间接地导致电动机停转。如果速度过高会导致电机超载。所以在PID程序中要设置中断程序,当过程值达到速度的上限或下限时执行中断程序使励磁电流在设定值范围内进行调节[9]。其 PID框图如图3所示。
3.2 Modbus协议
Modbus协议为现场总线型的通讯协议,可以支持多种电气接口如232、485等,它可以在多种介质中进行传递如双绞线、光纤、无线等,Modbus的帧格式简单、紧凑,其发送的格式为8位为1帧。Modbus传输形式有ASCII和RTU方式,对于本文使用的为RTU模式,其发送或接收的每一帧数据包括1个起始位、8个数据位(最小的有效位先发送)、1个奇偶校验位和1个停止位(有校验时,无校验时为2个Bit)。当Modbus通信时其采用主从结构技术即主设备能初始化传输(查询),其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应,本文采用的为Modbus从站设备,功能码为03(读),相应的功能码06为写功能。在速度反馈系统中,电流变送器将采集到的励磁电流传入到嵌入式系统中,在CPU中需要对Modbus从站进行配置,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协议的Linux嵌入式系统
CANopen是在CAL基础上开发的,使用了CAL通讯和服务协议子集,提供了分布式控制系统的一种实现方案。CANopen可以在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展。在CANopen网络中每个节点都有一个对象词典且其由一系列的子协议文档组成,在通讯中其模型定义了4种报文,分别为管理报文、服务数据对象SDO、过程数据对象PDO、预定义报文或特殊功能对象,CANopen通讯结构如图4所示
本文将CANopen协议栈嵌入到以ARM11为核心的系统,需要对内核进行裁剪,其内核包括OB模块、PDO模块、SDO模块、同步模块等,这些模块能各自在自己的子协议中完成对应的功能。移植CANopen协议主要对底层程序的DLL.C文件移植,在移植中,要先初始化CAN寄存器,对发送、接收等数据函数进行修改。本文将CANopen协议嵌入到操作系统中去解决了总线控制、冲突检测、链路维护等问题,使速度反馈信号的传输更加稳定。
Linux 是遵循通用公共许可证 GPL 协议的开源操作系统,其内核可根据需要任意裁剪、定制,硬件支持非常广泛。嵌入式Linux操作系统源代码开放,免费,可靠性高,支持多种软件和通信协议,内核强大,性能高效稳定,协调多线程、多任务工作,大小功能都可定制,具有丰富硬件驱动资源和强大的网络通信功能。基于本文选用的ARM11控制器,因此嵌入Linux操作系统是相当方便的。嵌入Linux操作系统可以多线程传输数据,解决了单片机单线传输数据的局限性,提高了系统的处理的精确度,减小了系统反应时间。对于Linux操作系统嵌入到以ARM11为核心的控制器,首先要构建交叉的编译环境,其次引导加载程序,再次要配置和裁剪内核,之后搭载文件系统其存放着系统运行时所必须的各种工具软件、配置文件、脚本、库文件等,搭载的文件系统存到ARM11配置的2G Flash内存中,移植系统最后步骤为开发驱动程序,完成了所有步骤即将Linux操作系统嵌入到ARM11中[10-13]。其流程如图5所示。
4 实验及仿真
将搭载好的Linux嵌入式系统放在恒温箱中以模拟不同环境测量其稳定性,实验数据表明搭载的嵌入式系统是稳定可靠的。根据速度闭环和电流闭环的传递函数用软件搭载速度反馈环节的仿真系统。在操作系统中,进行PID仿真时,设置目标转速为70r/min,调节参数KP=0.491,KI=0.028,KD=0.003,采样时间为1s。在PID开始时,其仿真图如图6,其中a代表设定值,b代表调节值,c代表输出值。
当人为加入扰动时,其PID仿真图如图7。
当PID调节稳定时,其PID仿真图如图8。
从出现扰动到PID调节稳定期响应速度在1s之内,由此看出加入嵌入式系统对PID反馈调节的作用。
5 结束语
针对之前单片机等芯片控制的电磁调速采煤机速度反馈出现的参数漂移,速度反馈不灵敏,实时性差等问题,本文提出了基于Linux嵌入式系统,ARM11为核心的系统方案,同时系统内嵌CANopen和Modbus协议,采用了高精度的CANopen轴角编码器和电流变送器,通过实验和仿真证明应用本方案极大程度减弱了参数漂移问题,使系统处理接收信号的时间更短,采集的信号更加准确,实时性更强。
参考文献
[1]刘建功.电磁调速电牵引采煤机控制系统[M].北京:煤炭工业出版社,2006:53-127.
[2]朱秀,谢子殿,石磊.基于电磁调速的电牵引采煤机调速控制器设计[J].煤炭科学技术,2008,36(8):70-72.
[3]吴浩,王巍,李小波,等.基于单片机的电磁调速电牵引采煤机调速系统[J].煤炭科学技术,2005,33(5):8-11.
[4]黄知超,张科伟,谢霞,等.基于速度反馈的直流电动机复合控制方法[J].工矿自动化,2013,39(12)65-67.
[5]李为民,姜漫.基于光电编码器的速度反馈与控制技术[J].工控技术,2004,6(24):84-88.
[6]刘建功,王汝琳.电磁调速电牵引采煤机制动运行的分析与应用[J].煤炭科学技术,2003,31(12):5-7.
[7]欧卫斌.直流双闭环调速系统及其模糊控制的仿真[J].工矿自动化,2010,35(3):58-60.
[8]李小波,吴浩,张长城.电磁调速电牵引采煤机直流微机调速系统研究[J].矿山机械,2005,33(3):11-12.
[9]刘侠,谢子殿.基于模糊控制的电磁调速采煤机控制系统的设计[J].工业控制计算机,2009,22(5):55-58.
[10]姜俊辉.基于ARM的嵌入式系统硬件设计[J].微计算机信息,2005,21(2):119-122.
[11]王俊波,胥布工.CANopen协议分析与实现[J].嵌入式网络技术应用,2006,22(2):104-106.
[12]任玮蒙,陶维青.基于CAN总线的高层协议CANopen[J].自动化技术与应用,2007,26(4):128-130.
[13]田家林,陈利学,寇向辉.LINUX嵌入式操作系统在ARM上的移植[J].微计算机信息,2007,23(4):60-62.
作者简介:张源(1990-),男,汉族,山东临沂人,硕士研究生,研究方向:电力电子与电力传动。
3.2 Modbus协议
Modbus协议为现场总线型的通讯协议,可以支持多种电气接口如232、485等,它可以在多种介质中进行传递如双绞线、光纤、无线等,Modbus的帧格式简单、紧凑,其发送的格式为8位为1帧。Modbus传输形式有ASCII和RTU方式,对于本文使用的为RTU模式,其发送或接收的每一帧数据包括1个起始位、8个数据位(最小的有效位先发送)、1个奇偶校验位和1个停止位(有校验时,无校验时为2个Bit)。当Modbus通信时其采用主从结构技术即主设备能初始化传输(查询),其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应,本文采用的为Modbus从站设备,功能码为03(读),相应的功能码06为写功能。在速度反馈系统中,电流变送器将采集到的励磁电流传入到嵌入式系统中,在CPU中需要对Modbus从站进行配置,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协议的Linux嵌入式系统
CANopen是在CAL基础上开发的,使用了CAL通讯和服务协议子集,提供了分布式控制系统的一种实现方案。CANopen可以在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展。在CANopen网络中每个节点都有一个对象词典且其由一系列的子协议文档组成,在通讯中其模型定义了4种报文,分别为管理报文、服务数据对象SDO、过程数据对象PDO、预定义报文或特殊功能对象,CANopen通讯结构如图4所示
本文将CANopen协议栈嵌入到以ARM11为核心的系统,需要对内核进行裁剪,其内核包括OB模块、PDO模块、SDO模块、同步模块等,这些模块能各自在自己的子协议中完成对应的功能。移植CANopen协议主要对底层程序的DLL.C文件移植,在移植中,要先初始化CAN寄存器,对发送、接收等数据函数进行修改。本文将CANopen协议嵌入到操作系统中去解决了总线控制、冲突检测、链路维护等问题,使速度反馈信号的传输更加稳定。
Linux 是遵循通用公共许可证 GPL 协议的开源操作系统,其内核可根据需要任意裁剪、定制,硬件支持非常广泛。嵌入式Linux操作系统源代码开放,免费,可靠性高,支持多种软件和通信协议,内核强大,性能高效稳定,协调多线程、多任务工作,大小功能都可定制,具有丰富硬件驱动资源和强大的网络通信功能。基于本文选用的ARM11控制器,因此嵌入Linux操作系统是相当方便的。嵌入Linux操作系统可以多线程传输数据,解决了单片机单线传输数据的局限性,提高了系统的处理的精确度,减小了系统反应时间。对于Linux操作系统嵌入到以ARM11为核心的控制器,首先要构建交叉的编译环境,其次引导加载程序,再次要配置和裁剪内核,之后搭载文件系统其存放着系统运行时所必须的各种工具软件、配置文件、脚本、库文件等,搭载的文件系统存到ARM11配置的2G Flash内存中,移植系统最后步骤为开发驱动程序,完成了所有步骤即将Linux操作系统嵌入到ARM11中[10-13]。其流程如图5所示。
4 实验及仿真
将搭载好的Linux嵌入式系统放在恒温箱中以模拟不同环境测量其稳定性,实验数据表明搭载的嵌入式系统是稳定可靠的。根据速度闭环和电流闭环的传递函数用软件搭载速度反馈环节的仿真系统。在操作系统中,进行PID仿真时,设置目标转速为70r/min,调节参数KP=0.491,KI=0.028,KD=0.003,采样时间为1s。在PID开始时,其仿真图如图6,其中a代表设定值,b代表调节值,c代表输出值。
当人为加入扰动时,其PID仿真图如图7。
当PID调节稳定时,其PID仿真图如图8。
从出现扰动到PID调节稳定期响应速度在1s之内,由此看出加入嵌入式系统对PID反馈调节的作用。
5 结束语
针对之前单片机等芯片控制的电磁调速采煤机速度反馈出现的参数漂移,速度反馈不灵敏,实时性差等问题,本文提出了基于Linux嵌入式系统,ARM11为核心的系统方案,同时系统内嵌CANopen和Modbus协议,采用了高精度的CANopen轴角编码器和电流变送器,通过实验和仿真证明应用本方案极大程度减弱了参数漂移问题,使系统处理接收信号的时间更短,采集的信号更加准确,实时性更强。
参考文献
[1]刘建功.电磁调速电牵引采煤机控制系统[M].北京:煤炭工业出版社,2006:53-127.
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[4]黄知超,张科伟,谢霞,等.基于速度反馈的直流电动机复合控制方法[J].工矿自动化,2013,39(12)65-67.
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[6]刘建功,王汝琳.电磁调速电牵引采煤机制动运行的分析与应用[J].煤炭科学技术,2003,31(12):5-7.
[7]欧卫斌.直流双闭环调速系统及其模糊控制的仿真[J].工矿自动化,2010,35(3):58-60.
[8]李小波,吴浩,张长城.电磁调速电牵引采煤机直流微机调速系统研究[J].矿山机械,2005,33(3):11-12.
[9]刘侠,谢子殿.基于模糊控制的电磁调速采煤机控制系统的设计[J].工业控制计算机,2009,22(5):55-58.
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作者简介:张源(1990-),男,汉族,山东临沂人,硕士研究生,研究方向:电力电子与电力传动。
3.2 Modbus协议
Modbus协议为现场总线型的通讯协议,可以支持多种电气接口如232、485等,它可以在多种介质中进行传递如双绞线、光纤、无线等,Modbus的帧格式简单、紧凑,其发送的格式为8位为1帧。Modbus传输形式有ASCII和RTU方式,对于本文使用的为RTU模式,其发送或接收的每一帧数据包括1个起始位、8个数据位(最小的有效位先发送)、1个奇偶校验位和1个停止位(有校验时,无校验时为2个Bit)。当Modbus通信时其采用主从结构技术即主设备能初始化传输(查询),其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应,本文采用的为Modbus从站设备,功能码为03(读),相应的功能码06为写功能。在速度反馈系统中,电流变送器将采集到的励磁电流传入到嵌入式系统中,在CPU中需要对Modbus从站进行配置,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协议的Linux嵌入式系统
CANopen是在CAL基础上开发的,使用了CAL通讯和服务协议子集,提供了分布式控制系统的一种实现方案。CANopen可以在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展。在CANopen网络中每个节点都有一个对象词典且其由一系列的子协议文档组成,在通讯中其模型定义了4种报文,分别为管理报文、服务数据对象SDO、过程数据对象PDO、预定义报文或特殊功能对象,CANopen通讯结构如图4所示
本文将CANopen协议栈嵌入到以ARM11为核心的系统,需要对内核进行裁剪,其内核包括OB模块、PDO模块、SDO模块、同步模块等,这些模块能各自在自己的子协议中完成对应的功能。移植CANopen协议主要对底层程序的DLL.C文件移植,在移植中,要先初始化CAN寄存器,对发送、接收等数据函数进行修改。本文将CANopen协议嵌入到操作系统中去解决了总线控制、冲突检测、链路维护等问题,使速度反馈信号的传输更加稳定。
Linux 是遵循通用公共许可证 GPL 协议的开源操作系统,其内核可根据需要任意裁剪、定制,硬件支持非常广泛。嵌入式Linux操作系统源代码开放,免费,可靠性高,支持多种软件和通信协议,内核强大,性能高效稳定,协调多线程、多任务工作,大小功能都可定制,具有丰富硬件驱动资源和强大的网络通信功能。基于本文选用的ARM11控制器,因此嵌入Linux操作系统是相当方便的。嵌入Linux操作系统可以多线程传输数据,解决了单片机单线传输数据的局限性,提高了系统的处理的精确度,减小了系统反应时间。对于Linux操作系统嵌入到以ARM11为核心的控制器,首先要构建交叉的编译环境,其次引导加载程序,再次要配置和裁剪内核,之后搭载文件系统其存放着系统运行时所必须的各种工具软件、配置文件、脚本、库文件等,搭载的文件系统存到ARM11配置的2G Flash内存中,移植系统最后步骤为开发驱动程序,完成了所有步骤即将Linux操作系统嵌入到ARM11中[10-13]。其流程如图5所示。
4 实验及仿真
将搭载好的Linux嵌入式系统放在恒温箱中以模拟不同环境测量其稳定性,实验数据表明搭载的嵌入式系统是稳定可靠的。根据速度闭环和电流闭环的传递函数用软件搭载速度反馈环节的仿真系统。在操作系统中,进行PID仿真时,设置目标转速为70r/min,调节参数KP=0.491,KI=0.028,KD=0.003,采样时间为1s。在PID开始时,其仿真图如图6,其中a代表设定值,b代表调节值,c代表输出值。
当人为加入扰动时,其PID仿真图如图7。
当PID调节稳定时,其PID仿真图如图8。
从出现扰动到PID调节稳定期响应速度在1s之内,由此看出加入嵌入式系统对PID反馈调节的作用。
5 结束语
针对之前单片机等芯片控制的电磁调速采煤机速度反馈出现的参数漂移,速度反馈不灵敏,实时性差等问题,本文提出了基于Linux嵌入式系统,ARM11为核心的系统方案,同时系统内嵌CANopen和Modbus协议,采用了高精度的CANopen轴角编码器和电流变送器,通过实验和仿真证明应用本方案极大程度减弱了参数漂移问题,使系统处理接收信号的时间更短,采集的信号更加准确,实时性更强。
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[9]刘侠,谢子殿.基于模糊控制的电磁调速采煤机控制系统的设计[J].工业控制计算机,2009,22(5):55-58.
[10]姜俊辉.基于ARM的嵌入式系统硬件设计[J].微计算机信息,2005,21(2):119-122.
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[12]任玮蒙,陶维青.基于CAN总线的高层协议CANopen[J].自动化技术与应用,2007,26(4):128-130.
[13]田家林,陈利学,寇向辉.LINUX嵌入式操作系统在ARM上的移植[J].微计算机信息,2007,23(4):60-62.
作者简介:张源(1990-),男,汉族,山东临沂人,硕士研究生,研究方向:电力电子与电力传动。