自動臺球機(jī)運(yùn)球軌跡精確控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

王安敏 劉言昭

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

臺球運(yùn)動作為一項(xiàng)世界性的運(yùn)動，深受世界各國人民的喜愛，普及非常廣泛。一種美式16球的運(yùn)球裝置被設(shè)計(jì)出來，臺球經(jīng)過擺球裝置整齊擺放在具有儲球功能的三角形套筒的置球裝置中，運(yùn)球裝置將置球裝置，從臺球桌的下方運(yùn)送到臺球桌桌面的指定位置，實(shí)現(xiàn)了臺球的自動擺放，節(jié)省人力，降低了成本，提高了設(shè)備的利用率，步進(jìn)電機(jī)具有良好的位置精度，運(yùn)動重復(fù)性，可靠性高，優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)，控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中常做定位控制和定速控制［1］。本設(shè)計(jì)是基于東芝公司2008年生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片，以及可變電阻，接近開關(guān)，電磁開關(guān)，結(jié)合單片機(jī)STC89C52芯片提出的一種自動臺球機(jī)運(yùn)球系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［2～6］。

2 擺球裝置結(jié)構(gòu)原理

為了完成臺球的精確運(yùn)送，本裝置采用雙電機(jī)運(yùn)送，充分利用步進(jìn)電機(jī)具有良好的位置精度和運(yùn)動重復(fù)性，可靠性高，易于控制轉(zhuǎn)速等優(yōu)點(diǎn)。整體的運(yùn)送通過下側(cè)電機(jī)4來提供大的推動力，置球裝置1的轉(zhuǎn)動通過上側(cè)電機(jī)2來控制。具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置中導(dǎo)軌安裝在臺球桌的正下方，通過TB6560AHQ控制下側(cè)電機(jī)4正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速，來完成整體裝置的運(yùn)輸，在到達(dá)指定位置后，接近開關(guān)檢測到滑塊，固定住大拖板5，電機(jī)繼續(xù)前行，將一級臂推起到豎直位置下側(cè)電機(jī)4停止，然后步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動順時(shí)針轉(zhuǎn)90°后停止，其終止位置如圖2所示，在置球裝置將球放在桌面后，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°，下側(cè)電機(jī)4反轉(zhuǎn)，帶動整個(gè)裝置回到初始位置如圖1所示。

圖2 運(yùn)球裝置終止位置

3 驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將臺球按規(guī)則擺放到置球裝置后，上位機(jī)將發(fā)送指令，經(jīng)由STC89C52接受處理后，將由TB6560AHQ發(fā)送相應(yīng)的指令，由測速模塊測量轉(zhuǎn)速以及由增量式PID算法計(jì)算出PWM的指令周期完成轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而準(zhǔn)確控制下側(cè)電機(jī)前進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)速。到達(dá)指定位置后，通過串口發(fā)送信息給下位機(jī)，由芯片TB6560AHQ驅(qū)動上側(cè)電機(jī)，由可變電阻與AD5320芯片組成轉(zhuǎn)角檢測模塊實(shí)時(shí)檢測，上側(cè)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度，采用增量式PID算法確定PWM的指令周期和個(gè)數(shù)。通過STC89C52判斷各個(gè)指定位置的接近開關(guān)的高低電平來確定整體裝置以及置球裝置是否到達(dá)指定位置。

3.1 轉(zhuǎn)角檢測電路

測量步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度，采用環(huán)形可變電阻與AD芯片AD5320組成的電路進(jìn)行測量，將指針固定在步進(jìn)電機(jī)軸上，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動指針轉(zhuǎn)動時(shí)AB間的電阻發(fā)生變化，通過測量兩點(diǎn)間的電壓就可以測量電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，采用線性插值算法計(jì)算出轉(zhuǎn)角與阻值的關(guān)系。

圖3 轉(zhuǎn)角檢測電路

3.2 線性插值原理

線性差值原理的基本方法是將非線性測角度曲線按照一定的要求分成若干段，把相鄰的分割點(diǎn)用直線連接起來，用此段直線代替相應(yīng)的曲線，通過標(biāo)定角度值和實(shí)際測量的角度值從而對從曲線進(jìn)行遷移這樣可以完成線性化處理和誤差校正［7～12］。式（1）、（2）、（3）為插值公式：

x為實(shí)際測得角度值，Y為校正以后的溫度，xi為標(biāo)定點(diǎn)的角度值，yi為校正點(diǎn)的角度補(bǔ)償值，y為在溫度測量范圍內(nèi)任一點(diǎn)的角度補(bǔ)償值，ki為校正點(diǎn)曲線的斜率。

表1 角度測量數(shù)據(jù)

3.3 角度測量結(jié)果分析

在完成硬件電路設(shè)計(jì)后，角度測量模塊測量轉(zhuǎn)過角度，將模塊測量的值與精密儀器測得的值進(jìn)行比較，用于對測得值得數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的修正。

1）首先將 0°～120°的轉(zhuǎn)角，分割成 13 個(gè)測量點(diǎn)，間隔度數(shù)為10°。

2）每轉(zhuǎn)過10°，使用精密儀器進(jìn)行測量，同時(shí)記錄測角模塊的值，每個(gè)數(shù)據(jù)測量三次求平均值。

3）將兩組測量值進(jìn)行比較分析。其數(shù)據(jù)如表1，通對兩組數(shù)據(jù)的對比可以知道，測角模塊對角度的測量具有良好的穩(wěn)定性，可滿足一些工業(yè)結(jié)構(gòu)對角度測量的精度需求。

3.4 下側(cè)電機(jī)測速程序設(shè)計(jì)

在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，采用反射式光電傳感器對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，檢測回路的輸出端直接與單片機(jī)的I/O相連，將數(shù)據(jù)直接輸送到單片機(jī)，通過使用單片機(jī)的定時(shí)器TI每3s檢測一下步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，測速流程圖如圖4所示。

圖4 測速流程圖

3.5 調(diào)速設(shè)計(jì)

下側(cè)電機(jī)前進(jìn)過程中需要調(diào)速防止速度過快對設(shè)備產(chǎn)生大的沖擊力，在到達(dá)指定位置后，需要快速的返回到原點(diǎn)，在不同過程需要不同的速度，同時(shí)需要精確地到達(dá)指定位置，需采用增量式PID算法計(jì)算出PWM的指令周期完成轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，將計(jì)算出的增量值，傳送到STC89C52驅(qū)動調(diào)速芯片完成調(diào)速，具體控制方式如圖5所示。

圖5 調(diào)速控制圖

3.6 增量式PID算法

數(shù)字PID控制是控制系統(tǒng)中非常常用的控制方法，PID控制原理框圖如圖6所示。

圖6 PID控制原理框圖

PID控制器是線性控制器，偏差e（t）由設(shè)定值r（t）與實(shí)際值c（t）構(gòu)成：

將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，控制量輸出為

由式（5）～（8）得PID控制規(guī)律傳遞函數(shù)為

（KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間系數(shù)；TD為微分時(shí)間系數(shù)。）

將模擬PID控制算法式（5）～（9）離散化，可得

由式（8）可知，當(dāng)微處理器使用恒定的采樣周期T時(shí)，只要使用前后3次測量值。

4 整體程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程如流程圖7所示，系統(tǒng)的整體的運(yùn)轉(zhuǎn)分為四個(gè)階段。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程如流程圖

1）第一階段裝整體前移，步進(jìn)電機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)，將整體運(yùn)送到指定位置。

2）第二階段電機(jī)降速，大小托板分離，接近開關(guān)實(shí)時(shí)檢測小托板的位置。

3）第三階段上側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角測量模塊測量其轉(zhuǎn)動角度，將球準(zhǔn)確的放到桌面。

4）第四階段上側(cè)電機(jī)與下側(cè)電機(jī)同時(shí)快速反轉(zhuǎn)回到起始位置。

5 系統(tǒng)性能測試結(jié)果分析

完成整體的裝置裝配以及步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，上位機(jī)給系統(tǒng)發(fā)出指令后，由單片機(jī)固有定時(shí)器T0記錄，運(yùn)行每一階段所用的時(shí)間，將其顯示在液晶屏上。從圖8所示運(yùn)行軌跡分析圖中可以看出，在對步進(jìn)電機(jī)位置與轉(zhuǎn)速的精確控制下，軌跡1明顯比軌跡2的運(yùn)行路程短，將縮短裝置的運(yùn)行時(shí)間從表2中可看出優(yōu)化后每階段的運(yùn)行時(shí)間低于優(yōu)化前，提高了設(shè)備的利用率，表明了增量式PID算法對步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速有一定的作用。

圖8 裝置運(yùn)動軌跡分析圖

表2 優(yōu)化前后時(shí)間對比表

6 結(jié)語

通過對整體裝置的運(yùn)動特性進(jìn)行分析設(shè)計(jì)出一種步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，為了要滿足對其精確控制的要求設(shè)計(jì)出基于線性插值原理的轉(zhuǎn)角檢測方法，通過運(yùn)用單片機(jī)的定時(shí)器對步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率及寬度的調(diào)控，同時(shí)加入了增量式PID算法，對步進(jìn)電機(jī)的輸出特性進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了優(yōu)化的目的，整個(gè)裝置具有比較高的運(yùn)行精度，具有使用價(jià)值，為以后相似裝置研究提供了參考。