基于ARM的鋼珠拋射裝置設計＊

范振，雷思敏，于錦濤，溫如春，韓樹人

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基于ARM的鋼珠拋射裝置設計＊

范振，雷思敏，于錦濤，溫如春，韓樹人

（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000）

傳統的拋射裝置中，通常利用燃料產生的空氣壓力，推動發射管內物體運動。其發射路線具有較大的不確定性，無法實現對拋射距離的精確控制。鋼球拋射裝置基于ARM芯片STM32F407ZGT6，配合松下A5伺服驅動器及電機，通過反饋電機轉動產生的Z相脈沖構成一個閉環伺服系統，可以實現伺服電機轉動角度及轉速的精確控制。基于MATLAB建立鋼珠運動數學模型，使用HMI觸摸串口屏設定拋射距離，拋射裝置能夠精準地拋射鋼珠至設定距離，并且最遠拋射距離極大。

ARM；閉環伺服系統；MATLAB；鋼珠運動數學模型

傳統技術中，大炮等拋射裝置都是將拋筒內的物體直接發射出去，發射路線呈拋物線，難以精準控制其拋射距離和拋射角度。本設計以ARM芯片為控制核心，構造了一個可以實現精準拋射的閉環伺服系統。

1 系統需求分析

鋼球拋射裝置需要在一定范圍內精確拋射。從結構上看，鋼球拋射裝置由圓管、電機、控制電路等構成。使用聯軸器連接圓管與電機，將鋼珠置于圓管內的插銷上，電機將圓管從一個角度迅速向下旋轉至另一個角度，從而將鋼珠從圓管內拋出，如圖1所示。

圖1 鋼珠拋射示意圖

從原理上看，鋼珠未拋射前在管中由于離心力的作用沿管壁上升，當圓管突然停止或鋼珠與圓管自然分離后，鋼珠飛出。在圓管裝入鋼球后，如果圓管首先向后低速旋轉，到零度位置然后高速向前運動，越過90°，到135°（坐標第二相限的45°角度）附近緊急剎車，鋼球就會被拋射出去（圓管長度應該與旋轉速度、鋼球在圓管內部直線運動距離相匹配）。鋼珠拋射距離由鋼珠質量、鋼珠在圓管內的起始位置、圓管的起始角與停止角以及圓管的旋轉速度等參數決定，通過建立“鋼球拋射距離-拋射角度-拋射速度”數學模型控制這些參數的值，能夠精確地實現對鋼球的拋射距離的控制。

2 鋼球精準拋射裝置的設計

2.1 系統總體設計思路

結合鋼珠拋射裝置的控制需求，可以采用STM32芯片作為控制器，松下交流伺服電機作為執行機構，進行鋼珠拋射裝置系統設計。STM32F407ZGT6芯片是基于高性能的 ARM?Cortex?-M4 的32位RISC內核處理器，芯片主頻高達168 MHz，擁有I2C、SPI、PWM等總線接口，該芯片具有體積小、性能強、便攜性高的特點，能夠用于實現各種設備的控制。其中，STM32需要通過松下A5伺服驅動器間接控制電機。A5驅動器驅動松下交流伺服電機，響應頻率為2.0 kHz，1圈104萬脈沖，基本實現瞬間啟動與停止；可以實現高分辨率操作與高速操作，且慣量小，適用于高速大力矩工作狀態。額定功率為400 W，額定轉速為3 000 r/min，可有效提高拋射裝置的可控拋射范圍。

用戶通過HMI觸摸串口屏設定拋射距離，通過串口通訊傳送給STM32，STM32根據所建立“鋼球拋射距離-拋射角度-拋射速度”數學模型計算電機拋射角度與拋射速度，然后發出對應的PWM信號波。

由于A5驅動器需要12 V直流電源供電，而STM32最多提供5 V電壓，因此，通過一個光耦放大電路實現小電壓控制大電壓，且保護電路。STM32使用X4接口控制A5驅動器，A5驅動器自身能夠設定豐富參數，自身參數設定和STM32的PWM等指令結合起來，使用XB和X6編碼器連接并控制伺服電機，如圖2所示。

圖2 總體設計圖

2.2 系統硬件設計

為了減少系統建立運動控制模型的復雜度，選擇直徑為8 mm質量為20.6 g的實心鋼球，15 cm長的輕質鋁合金圓管，并在圓管內距聯軸器5 cm處放置插銷，圓管以與地面成10°作為初始拋射角度。

2.2.1 光耦放大電路設計

STM32F407輸出高電平為3.3～5 V，而A5驅動器有效電壓為12 V左右直流電壓。STM32發出的低壓（5 V）PWM信號波通過PC817光耦電路發出互補波形的高壓（12 V）PWM信號波，進而控制A5驅動器。PC817光耦芯片上下級電路完全隔離，截止頻率為80 kHz，cemax=35 V，bemax=6 V，總功耗200 mW，是拋射裝置理想的具有低功耗高頻率特性的光耦芯片。

2.2.2 Z相捕獲電路設計

伺服電機內的測量轉速專用編碼器對分頻處理后的編碼器信號（A相、B相、Z相）用各自的長線驅動器差動輸出。電機每旋轉一周，輸出一個Z相脈沖。使用AM26LS32芯片檢測并放大Z相脈沖，未達參考角度時，AM26LS32輸出保持低電平，當轉至參考角度時輸出出現高電平脈沖，且轉速越快脈沖占空比越小。

設置STM32最高優先級中斷捕捉該Z相脈沖出現角度作為參考角度（定值），根據用戶設定的角度差值（定值）確定拋射初始角度（定值）。并且當電機每次正轉至停止角拋射鋼珠之后，可精準反轉至初始角，從而保證了每次拋射角度的精度。

2.2.3 ARM與A5驅動器及伺服電機的連接

A5驅動器是ARM控制伺服電機的“中轉站”，ARM芯片通過光耦電路連接至X4接口控制A5驅動器，A5驅動器通過XB和X6編碼器連接到伺服電機。用戶使用keil5軟件對STM32燒錄程序，ARM通過X4接口直接控制A5驅動器，驅動器使用編器與伺服電機通訊，電機頻率為500 kHz時，最高轉速為2 000 r/min。

2.2.4 系統供電模塊設計

系統供電包含三部分，即220 V交流電輸入、5 V直流電輸入和24 V直流電輸入。220 V交流電經過斷路保護器和繼電器組成的電源保護電路后，連接至24 V開關電源以及A5驅動器XA接口作為供電。A5驅動器直接給伺服電機供電，24 V開關電源產生5 V和12 V直流電壓分別給STM32以及光耦電路受控端供電。

3 軟件設計

系統的軟件設計主要是HMI觸摸串口屏設計和系統主程序設計。使用USART軟件設計HMI觸摸屏界面，向裝置輸入拋射距離。系統主程序設計分為鋼球運動數學模型建立和控制程序設計。控制程序采用模塊化設計，包括轉速控制程序設計、轉角控制程序設計、Z相捕捉程序設計等模塊。

3.1 鋼球運動數學模型的建立

鋼珠拋射距離由鋼珠質量、鋼珠在圓管內的起始位置、圓管的起始角與停止角以及圓管的旋轉速度等參數決定。由于鋼球在此運動過程難以用數學公式精確推導，本文提出使用MATLAB軟件中的cftool擬合工具箱進行三元擬合，以此建立“鋼球拋射距離-拋射角度-拋射速度”數學模型。

控制電機每次旋轉至相同角度，記錄在不同轉速下鋼珠的拋射距離；保持速度不變，記錄在不同角度下鋼珠的拋射距離；經過大量實驗后，得到大量拋射距離-拋射角度-拋射速度的數據；使用MATLAB軟件中的cftool擬合工具箱對這些數據進行三元擬合，得到擬合度高達96.5%的拋射距離與拋射角度以及拋射速度函數關系，建立了“鋼球拋射距離-拋射角度-拋射速度”數學模型。

3.2 主程序的設計

伺服系統的功能決定于程序的設計和A5驅動器自身設置。對照A5伺服驅動器用戶手冊將其設置為每轉需10 000個脈沖，其他為默認值。脈沖由PWM產生，在程序中改變脈沖數及脈沖頻率即可控制電機的轉動角度和轉動速度。

A5驅動器受12 V的PWM信號波控制，PWM信號波可由定時器中斷產生。當觸摸屏輸入拋射距離并且按下確定按鍵之后，STM32由鋼球運動數學模型計算出拋射該距離電機所需轉速及轉動角度，進而求解出達到該轉速所需PWM信號波參數以及轉動該角度定時器所需作用的時間。當鋼球拋射完成，圓管因為帶負載導致實際拋射角度大于理論拋射角度，但STM32根據所捕捉的Z相脈沖時間在整個拋射周期的比例，精確地求出實際拋射角度，進而配置定時器使圓管精準的返回至初始拋射角度。

4 結束語

本鋼球拋射裝置選用伺服電機，通過反饋Z相脈沖實現閉環伺服控制，并且使用MATLAB擬合工具箱建立了極高擬合度的鋼球運動模型，保證了鋼珠拋射的精確性，拋射距離極大。

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范振（1999—），男，研究方向為控制理論與控制工程。

2016江西省教育廳科學技術研究項目（編號：GJJ160652）；2017年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201710407010）

2095－6835（2019）07－0003－02

TP23

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.003

〔編輯：張思楠〕