基于自由擺的平板控制系統研究＊

谷麗娜

（青島科技大學，山東 青島 266042）

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

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確，在運動物體上不易準確測量，所以本系統不采用。

方案2：使用光電編碼器測量傾角，此方案需要在轉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，得到擺臂的轉動角。此方案可以準確的測得角度，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，機械加工難度較大，本系統不采用。

方案3：使用數字陀螺儀測量傾角，此方案的測量精度和響應時間都不及方案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確的測定水平傾角，在運動物體上通過補償算法也可以準確測定水平傾角，而且可以直接平行的放在被控平板上，機械安裝方便，精度高所以采用此方案。

1.2 執行電機的選擇

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

方案2：使用交流伺服電機作為執行電機，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：使用步進電機作為執行電機。其運行響應快，直接接受數字脈沖輸入，經過細分驅動器可以使電機運行更加平滑，而且驅動器價格低，易于實現，故本系統采用步進電機作為執行電機。

1.3 單片機選型

方案1：使用國內比較通用8051系列單片機。其功能簡單，但是運行速度慢，程序存儲器和數據存儲器有限，不適合彩色觸摸屏等應用，故不采用。

方案2：使用16位處理器的8086單片機。其運行速度較快，外設豐富，但是程序存儲器和數據存儲器有限，輸入輸出端口驅動能力有限，調試環境復雜，故不采用。

方案3：使用Cotex-M3內核的STM32系列單片機。其運行速度快，接口及外設豐富，存儲器空間大，適合彩色觸摸屏等應用，故本系統采用STM32處理器為主控CPU。

1.4 系統方案及系統結構

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變為電壓信號，由單片機ARM經給定的控制算法計算出末端平板角度變化量后，發出一定數目的脈沖，經驅動放大后控制步進電機的轉動，步進電機帶動平板轉動快速恢復平衡位置。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

圖2 ADXL335的坐標系

2 系統設計與實現

2.1 基于ADXL335的平板傾角測量電路設計

本系統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，對應的電壓范圍為0.85V到2.45V。ADXL335的坐標系如圖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 系統軟件設計

系統軟件主要由被控平板傾角采集子程序、PID調節子程序、用戶操作界面子程序組成。在此僅列出系統軟件流程圖，見圖4。

圖4 系統軟件流程

3 測試數據及測試結果

本系統使用轉速表檢測步進電機的轉速，用以確定調整的啟動速率；使用量角器和攝像機，觀察自由擺臂的轉角，用以檢測傾角傳感器的準確性。測試儀器見表1，測試數據見表2、表3。

表1 測試儀器

表2 自由擺臂旋轉不同周數，平板旋轉的偏差絕對值實測數據

表3 不同初始角度光斑偏離中心線距離

4 結束語

本系統以高速32處理器的片上A／D轉換器采集平板的X、Y、Z三軸加速度，經計算得到傾角，并以此傾角數據為PID調節的依據，通過步進電機實時調節平板的傾角，從而完成題目要求。本系統采用彩色液晶觸摸屏作為系統的操作面板，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.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]黃智偉.全國大學生電子設計大賽培訓教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.