基于ARMCORTEX_M3的自由擺平衡控制系統

張友方，蔣 一，王 銳，曹 燕

陸軍軍官學院，安徽合肥 230031

0 引言

系統要求設計并制作一個自由擺上的平板控制系統，要求控制電機使平板可以隨著擺桿的擺動而旋轉，擺桿在300～450之間自由擺動過程中，要求平板上的一到八枚硬幣在5個擺動周期中不滑落，并保持疊放狀態。發揮部分則要求在平板上固定的激光筆在擺桿自由擺動過程中使光斑始終照射在靶紙的某一條線上。

該控制系統是一個動態自平衡測試系統，主要由三部分構成：1）擺架系統：支架，擺桿，底座，和位于擺桿底部固定在電機上的平板；2）驅動控制系統：控制器通過對傳感器輸出信號的分析發出控制信號，經功率放大后控制電機的轉動，帶動平板盡快恢復平衡狀態；3）檢測系統：通過傳感器檢測出平板的角度變化，通過串口送給控制器。

1 系統設計方案

1.1 自由擺控制系統的原理與組成

自由擺運動可以近似認為是一種規律性的簡諧振動，在一個周期內分為變加速(T1)—變減速(T2)——反向變加速(T3)—反向變減速(T4)四個運動過程。T1（T2）和T3（T4）運動規律對稱，T1(T3)和T2(T4)運動規律對稱，因此可以僅對四分之一周期進行分析。我們采用微分中“以直代曲”的思想，在Δt時間內可以近似認為是在Δl的直線(弧度）上做勻加速運動，采用Δt時間內加速度的平均值作為該段的加速度，求取各個細分段點的線速度值，與采用能量守恒的方式求得的各個細分段點的線速度值比較，通過數據分析，當擺桿最大角度為45°，小段時間內轉動最小角度時，該近似計算和根據能量轉換計算出的最大速度誤差控制在以內，因此，在一個周期內可以通過這種近似計算，分析平板在某一位置的狀態值。

1.2 方案設計

考慮到電機帶動平板運動和自由擺的運動相互獨立，可以通過傾角傳感器的實時反饋得出任意時刻平板相對于地面的角度，直接將其值發送至單片機，從而控制步進電機轉動相應角度而重新回到水平。

1）擺架框架的選擇

方案一：采用木板做擺桿，材料方便，制作簡單，但木板孔的摩擦力較大，不利于擺桿做簡諧振動，硬度大，易損壞，不易搬運。

方案二：采用鐵板做擺桿，相對于木板來說，鐵板在擺動過程受空氣阻力的

影響較小，從而能夠較好的保持在一個平面內，不會產生前后晃動的現象，為更好保持穩定，減少系統本身可能導致的誤差，本設計采用鐵板作擺桿。

2）傳感器的選擇

方案一：采用兩軸傾角傳感器，只能夠檢測出水平和橫向傾角，刷新率低，輸出信息量少，不能提供擺桿角速度和角加速度的變化，無法提供平板的運動姿態信息，步進電機不能實時追隨平板的變化。

方案二：采用AHRS系列傳感器，它體積小，精度高，3個陀螺儀、3個加速度計與3個磁場計。可以實時測量軸向的角速度，加速度和磁場強度。通過內部微處理器的處理，輸出無漂移姿態和航信息，以及較核過的三維加速度、三維角速度、三維地磁場。

考慮到題目只需測出白板的水平傾角，同時要有較快的響應速度和高采樣速率，同時傳感器要安裝方便，采用方案二。

2 硬件設計

2.1 主控模塊

主控模塊包括微處理器及周邊電路，微處理器采用STM32F103VB單片機，STM32F103VB是意法半導體(ST)公司推出的基于ARM32位CORTEX2M3CPU，是目前性能比較突出的微處理器之一，豐富的內置功能模塊可大大簡化周邊電路設計，同時也提高了系統本身的抗干擾能力。

2.2 步進電機驅動系統

本系統采用四線兩相混合式57BYG系列步進電機，步進角為1.8。選用A3987集成芯片做驅動芯片，A3987 是一款完全的微步電動機驅動器，帶有內置轉換器，易于操作。該產品可在完整、1/2、1/4 及 1/16 步進模式時操作雙極步進電動機，輸出驅動容量為 50V及 1.5A。為保證電機能夠實時跟蹤角度傳感器的變化量，避免因電機的抖動使硬幣滑落，本系統采用1/16細分模式，使步進電機步進角變為0.1125°。驅動板見圖1。

圖1 步進電機驅動板

圖2 傾角傳感器

2.3 數據采集部分

傳感器采用的是FY-AHRS-1200B。如圖2所示，它是一款高性能的捷聯慣導系統，可以在3D空間中測量任何機車和載體的姿態角和方位角，對于靜止或帶角速度的任何運動物體可以進行高精度的姿態定位，內置傳感器自動校正功能，能對傳感器的溫飄、噪聲、外部干擾自動補償校正。

3 軟件設計

系統采用模塊化設計思想，單片機軟件設計主要包括主程序、初始化程序、數據采集程序和步進電機控制子程序等。

4 結論

本文以控制理論的知識為基礎，利用角度傳感器配合單片機完成了對步進電機的實時控制，同時對測控系統的原理和組成做了詳細的分析，確定了設計方案，以意法半導體新推出的32位微控制器STM32F103VB處理器芯片為核心，完成了各硬件模塊的功能，還完成相關的分析計算和應用程序的設計。較好的實現了對自由擺上平板的平衡控制。

[1]周航慈.單片機應用程序設計[M].北京航空航天大學出版社，2006.

[2]高吉祥.全國大學生電子設計競賽培訓教程[M].模擬電子線路設計，2007.

[3]全國大學生電子設計競賽組委會編《全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編》[M].北京理工大學出版社，2006.