基于自由擺的平板控制系統(tǒng)研究＊

谷麗娜

（青島科技大學(xué)，山東 青島 266042）

目前對自由擺的控制應(yīng)用研究比較廣泛，控制電機(jī)使平板可以隨擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)，并且擺桿在擺動過程中，要求控制平板的狀態(tài)?；谧杂蓴[的平板控制系統(tǒng)需要實時測量被控平板與水平面的傾角，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速修改平板的水平傾角，達(dá)到題目要求。本系統(tǒng)采用高速32位嵌入式處理器為系統(tǒng)的主控單元，以ADI公司的加速度傳感器ADXL335實現(xiàn)平板傾角測量，以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以PID算法為基本控制理論，實現(xiàn)了基于自由擺的平板控制系統(tǒng)。

1 方案選擇與論證

1.1 傾角測量方案選擇

方案1：使用重力擺錘和旋轉(zhuǎn)電位器組合的方法測量傾角，此方案在靜止的物體上測量比較準(zhǔn)確，在運動物體上不易準(zhǔn)確測量，所以本系統(tǒng)不采用。

方案2：使用光電編碼器測量傾角，此方案需要在轉(zhuǎn)動軸中心處安裝光電編碼器，對光電編碼器輸出的A、B兩相相位差是90度的方波信號采樣、計算，得到擺臂的轉(zhuǎn)動角。此方案可以準(zhǔn)確的測得角度，而且實時性也很好，但是由于光電編碼器的輸出軸不能承受太大的外力，價格較高，機(jī)械加工難度較大，本系統(tǒng)不采用。

方案3：使用數(shù)字陀螺儀測量傾角，此方案的測量精度和響應(yīng)時間都不及方案2，而且價格太高，故不予采用。

方案4：采用ADI公司的最新加速度傳感器ADXL335測量傾角，此方案可以在靜止的物體上準(zhǔn)確的測定水平傾角，在運動物體上通過補(bǔ)償算法也可以準(zhǔn)確測定水平傾角，而且可以直接平行的放在被控平板上，機(jī)械安裝方便，精度高所以采用此方案。

1.2 執(zhí)行電機(jī)的選擇

方案1：使用直流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)，此方案需要在直流電機(jī)上加裝光電編碼器作為位置反饋，機(jī)械加工比較困難，另需要伺服控制器，自己制作難度太大，故不采用。

方案2：使用交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)，此方案由于需要交流伺服控制器，成本太高，如自己制作交流伺服控制器，難度太大，故不采用。

方案3：使用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)。其運行響應(yīng)快，直接接受數(shù)字脈沖輸入，經(jīng)過細(xì)分驅(qū)動器可以使電機(jī)運行更加平滑，而且驅(qū)動器價格低，易于實現(xiàn)，故本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)。

1.3 單片機(jī)選型

方案1：使用國內(nèi)比較通用8051系列單片機(jī)。其功能簡單，但是運行速度慢，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器有限，不適合彩色觸摸屏等應(yīng)用，故不采用。

方案2：使用16位處理器的8086單片機(jī)。其運行速度較快，外設(shè)豐富，但是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器有限，輸入輸出端口驅(qū)動能力有限，調(diào)試環(huán)境復(fù)雜，故不采用。

方案3：使用Cotex-M3內(nèi)核的STM32系列單片機(jī)。其運行速度快，接口及外設(shè)豐富，存儲器空間大，適合彩色觸摸屏等應(yīng)用，故本系統(tǒng)采用STM32處理器為主控CPU。

1.4 系統(tǒng)方案及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自由擺擺動過程中，末端平板的角度變化先由傳感器檢測后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，由單片機(jī)ARM經(jīng)給定的控制算法計算出末端平板角度變化量后，發(fā)出一定數(shù)目的脈沖，經(jīng)驅(qū)動放大后控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)帶動平板轉(zhuǎn)動快速恢復(fù)平衡位置。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 ADXL335的坐標(biāo)系

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 基于ADXL335的平板傾角測量電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用美國模擬器件公司最新推出的加速度傳感器ADXL335。該款傳感器可以測量三軸加速度，其量程可選，針對傾角測量選擇-1.5g到1 5g量程。信號輸出為電壓信號，在1 5g量程下，信號靈敏度為300mv／g。在傾角測量時，加速度的測量范圍為-6g到6g，對應(yīng)的電壓范圍為0.85V到2.45V。ADXL335的坐標(biāo)系如圖2所示，加速度傳感器與主控制器之間的接口電路如圖3所示。

圖3 加速度傳感器與主控制器之間的接口電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由被控平板傾角采集子程序、PID調(diào)節(jié)子程序、用戶操作界面子程序組成。在此僅列出系統(tǒng)軟件流程圖，見圖4。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

3 測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果

本系統(tǒng)使用轉(zhuǎn)速表檢測步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用以確定調(diào)整的啟動速率；使用量角器和攝像機(jī)，觀察自由擺臂的轉(zhuǎn)角，用以檢測傾角傳感器的準(zhǔn)確性。測試儀器見表1，測試數(shù)據(jù)見表2、表3。

表1 測試儀器

表2 自由擺臂旋轉(zhuǎn)不同周數(shù)，平板旋轉(zhuǎn)的偏差絕對值實測數(shù)據(jù)

表3 不同初始角度光斑偏離中心線距離

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)以高速32處理器的片上A／D轉(zhuǎn)換器采集平板的X、Y、Z三軸加速度，經(jīng)計算得到傾角，并以此傾角數(shù)據(jù)為PID調(diào)節(jié)的依據(jù)，通過步進(jìn)電機(jī)實時調(diào)節(jié)平板的傾角，從而完成題目要求。本系統(tǒng)采用彩色液晶觸摸屏作為系統(tǒng)的操作面板，可是顯示傾角、速度等信息，也可以作為操作按鍵使用，簡單、清楚、方便。

[1]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽培訓(xùn)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.