自由擺平板系統(tǒng)高精控制設(shè)計(jì)

侯濤趙賀

(蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

本文以2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽題目為背景，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)自由擺平板控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)是將擺桿的一端通過轉(zhuǎn)軸固定在一支架上;另一端固定安裝一臺電機(jī)，并將平板固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。當(dāng)擺桿擺動時(shí)，驅(qū)動電機(jī)可以控制平板自由轉(zhuǎn)動。

系統(tǒng)的基本要求是:通過控制電機(jī)，使平板可以隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)3～5個(gè)周期;擺桿擺動一個(gè)周期平板旋轉(zhuǎn)一周，偏差絕對值不大于45°;用手推動擺桿至30°～60°之間的角度θ，在平板中心穩(wěn)定放置1枚或8枚1元硬幣，啟動后放開擺桿讓其自由擺動;在擺桿擺動過程中，要求硬幣不從平板上滑落。

在平板上固定一激光筆，光斑照射在距擺桿150 cm距離處垂直放置的靶子上。當(dāng)擺桿垂直靜止且平板處于水平時(shí)，調(diào)節(jié)靶子高度，使光斑照射在靶紙的某一條線上，標(biāo)志此線為中心線。手動推動擺桿至30°～60°之間的角度θ，啟動后，系統(tǒng)應(yīng)在15 s內(nèi)控制平板并盡量使激光筆照射在中心線上，完成后以LED指示。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

充分利用各模塊的優(yōu)勢，最終設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the control system

該自由擺平板控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)理電路模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和LED顯示模塊等部分構(gòu)成。系統(tǒng)通過光電編碼器的檢測獲得自由擺的轉(zhuǎn)角［2-5］，通過算法程序換算得到平板應(yīng)該轉(zhuǎn)動的方向與角度，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制量;通過驅(qū)動模塊使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動［6-7］，從而帶動平板轉(zhuǎn)動，達(dá)到平板的平衡狀態(tài)。然而，此處的控制是開環(huán)控制，無法獲知電機(jī)轉(zhuǎn)動是否達(dá)到期望角度，因此，需增加另一路檢測。在此，采用角度傳感器［8］檢測轉(zhuǎn)動后的實(shí)時(shí)角度，再將該角度值反饋到控制器進(jìn)行比較，形成閉環(huán)控制。

2 伺服閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

2.1 基本部分建模與設(shè)計(jì)

伺服閉環(huán)控制基本部分的設(shè)計(jì)要求是在擺桿自由擺動過程中，控制平板保持平衡狀態(tài)，使硬幣不從平板上滑落。

由自由擺系統(tǒng)原理可知，控制平板狀態(tài)要保持平衡，即擺桿擺動多少角度，平板就需要轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度。平板平衡示意圖如圖2所示。光電編碼器作為檢測裝置安裝在與擺桿固定點(diǎn)同軸方向，用于檢測擺桿轉(zhuǎn)動的角度。

圖2 平板平衡示意圖Fig.2 Schematic of the balancing of flat panel

為了提高控制精度，還需設(shè)計(jì)另一路角度傳感器檢測，用于檢測平板實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動的角度。角度傳感器與平板平行安裝，并可隨平板一起轉(zhuǎn)動，將檢測角度反饋到控制器進(jìn)行比較，從而形成伺服閉環(huán)的高精度角度控制［9］。

角度傳感器的原理是根據(jù)角度的變化輸出相應(yīng)的電壓變化(0～5 V)，其平衡位置值為1650 mV，得到輸出電壓與角度的關(guān)系式為:

式中:Vout為速度傳感器的電壓輸出值;k為近似的線性對應(yīng)系數(shù);θ為傾斜角度。

因此，傾斜角度可以通過下式計(jì)算得到:

通過分析角度傳感器的輸出電壓值可知，當(dāng)θ在-60°～+60°的范圍內(nèi)變化時(shí)，其輸出電壓變化范圍為930～2330 mV，可計(jì)算得到k=800。

2.2 發(fā)揮部分建模與設(shè)計(jì)

伺服閉環(huán)控制的發(fā)揮部分要求是激光筆在擺桿自由擺動的過程中，照射在靶子上的光斑始終位于靶子的中心線上。根據(jù)自由擺擺動時(shí)平板運(yùn)動的狀態(tài)，可得到激光筆定位模型圖，其示意圖如圖3所示。

圖3 激光筆定位模型圖Fig.3 The positioning model of laser pen

通過分析擺桿擺動的角度和平板相對水平方向的轉(zhuǎn)動角度，建立數(shù)學(xué)方程式;然后通過算法實(shí)現(xiàn)擺桿運(yùn)動過程中步進(jìn)電機(jī)的精確控制［10］。

已知參數(shù) r=1 m、l=1.5 m，可得 α1、α2，具體的計(jì)算方法如式(3)、式(4)所示:

2.3 伺服閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上文分析可知，若想提高控制精度，需采用雙傳感器技術(shù)。其中，光電編碼器用來檢測自由擺的擺角，角度傳感器用來檢測平板的轉(zhuǎn)角，且轉(zhuǎn)角控制采用伺服閉環(huán)控制，其控制框圖如圖4所示。

圖4 平板角度閉環(huán)控制框圖Fig.4 Block diagram of the closed-loop control for flat panel angle

具體控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 控制程序流程圖Fig.5 Flowchart of the control program

3 測試結(jié)果與分析

3.1 測試結(jié)果

平板旋轉(zhuǎn)角度控制與放置1枚硬幣平板的平衡狀態(tài)控制較簡單，測試結(jié)果較理想，與單一傳感器控制(最早按單一角度傳感器設(shè)計(jì))沒有明顯區(qū)別。但對于放置8枚硬幣平板的平衡狀態(tài)控制，雙傳感器優(yōu)勢明顯，單雙傳感器對比測試結(jié)果如表1所示。

表1 基本部分測試對比表Tab.1 Intercomparison of tests for essential part

發(fā)揮部分啟動后平板的平衡狀態(tài)對比測試結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)揮部分測試對比表Tab.2 Intercomparison of tests for exerted part

3.2 測試分析

根據(jù)測試結(jié)果可知，單傳感器測試的誤差較大，雙傳感器設(shè)計(jì)具有很高的精度。究其原因是由于單傳感器是開環(huán)控制，而雙傳感器是伺服閉環(huán)控制，所以精度高。但在測試過程中，步進(jìn)電機(jī)偶爾會發(fā)生抖動，硬幣容易滑落。大量分析表明，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行過程中產(chǎn)生的擾動容易造成傳感器輸出不穩(wěn)定。其解決方法是把傳感器安裝在離電機(jī)較遠(yuǎn)而又能保持與平板平行的位置，即在擺桿的中上部水平安裝。測試結(jié)果表明，該方法較好地滿足了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)了雙傳感器伺服閉環(huán)控制方法。該方法實(shí)現(xiàn)了高精度控制。由于步進(jìn)電機(jī)偶爾會發(fā)生抖動，雖然進(jìn)行了分析處理，但精度和準(zhǔn)確度仍有待進(jìn)一步提高。下一步工作將用直流電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

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