自動臺球機運球軌跡精確控制系統的設計*

王安敏 劉言昭

（青島科技大學機電工程學院 青島 266061）

1 引言

臺球運動作為一項世界性的運動，深受世界各國人民的喜愛，普及非常廣泛。一種美式16球的運球裝置被設計出來，臺球經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，運球裝置將置球裝置，從臺球桌的下方運送到臺球桌桌面的指定位置，實現了臺球的自動擺放，節省人力，降低了成本，提高了設備的利用率，步進電機具有良好的位置精度，運動重復性，可靠性高，優秀的啟停和反轉響應，控制簡單等優點，在機電一體化產品中常做定位控制和定速控制［1］。本設計是基于東芝公司2008年生產的步進電機驅動芯片，以及可變電阻，接近開關，電磁開關，結合單片機STC89C52芯片提出的一種自動臺球機運球系統的設計［2～6］。

2 擺球裝置結構原理

為了完成臺球的精確運送，本裝置采用雙電機運送，充分利用步進電機具有良好的位置精度和運動重復性，可靠性高，易于控制轉速等優點。整體的運送通過下側電機4來提供大的推動力，置球裝置1的轉動通過上側電機2來控制。具體的結構如圖1所示，裝置中導軌安裝在臺球桌的正下方，通過TB6560AHQ控制下側電機4正反轉以及轉速，來完成整體裝置的運輸，在到達指定位置后，接近開關檢測到滑塊，固定住大拖板5，電機繼續前行，將一級臂推起到豎直位置下側電機4停止，然后步進電機轉動順時針轉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，步進電機逆時針轉90°，下側電機4反轉，帶動整個裝置回到初始位置如圖1所示。

圖2 運球裝置終止位置

3 驅動控制系統設計

將臺球按規則擺放到置球裝置后，上位機將發送指令，經由STC89C52接受處理后，將由TB6560AHQ發送相應的指令，由測速模塊測量轉速以及由增量式PID算法計算出PWM的指令周期完成轉速的調節，進而準確控制下側電機前進時的轉速。到達指定位置后，通過串口發送信息給下位機，由芯片TB6560AHQ驅動上側電機，由可變電阻與AD5320芯片組成轉角檢測模塊實時檢測，上側電機所轉過的角度，采用增量式PID算法確定PWM的指令周期和個數。通過STC89C52判斷各個指定位置的接近開關的高低電平來確定整體裝置以及置球裝置是否到達指定位置。

3.1 轉角檢測電路

測量步進電機所轉過的角度，采用環形可變電阻與AD芯片AD5320組成的電路進行測量，將指針固定在步進電機軸上，電機轉動帶動指針轉動時AB間的電阻發生變化，通過測量兩點間的電壓就可以測量電機轉過的角度，采用線性插值算法計算出轉角與阻值的關系。

圖3 轉角檢測電路

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，把相鄰的分割點用直線連接起來，用此段直線代替相應的曲線，通過標定角度值和實際測量的角度值從而對從曲線進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為實際測得角度值，Y為校正以后的溫度，xi為標定點的角度值，yi為校正點的角度補償值，y為在溫度測量范圍內任一點的角度補償值，ki為校正點曲線的斜率。

表1 角度測量數據

3.3 角度測量結果分析

在完成硬件電路設計后，角度測量模塊測量轉過角度，將模塊測量的值與精密儀器測得的值進行比較，用于對測得值得數據進行進一步的修正。

1）首先將 0°～120°的轉角，分割成 13 個測量點，間隔度數為10°。

2）每轉過10°，使用精密儀器進行測量，同時記錄測角模塊的值，每個數據測量三次求平均值。

3）將兩組測量值進行比較分析。其數據如表1，通對兩組數據的對比可以知道，測角模塊對角度的測量具有良好的穩定性，可滿足一些工業結構對角度測量的精度需求。

3.4 下側電機測速程序設計

在步進電機的控制系統中，采用反射式光電傳感器對步進電機的轉速進行測量，檢測回路的輸出端直接與單片機的I/O相連，將數據直接輸送到單片機，通過使用單片機的定時器TI每3s檢測一下步進電機的轉速，測速流程圖如圖4所示。

圖4 測速流程圖

3.5 調速設計

下側電機前進過程中需要調速防止速度過快對設備產生大的沖擊力，在到達指定位置后，需要快速的返回到原點，在不同過程需要不同的速度，同時需要精確地到達指定位置，需采用增量式PID算法計算出PWM的指令周期完成轉速的調節，將計算出的增量值，傳送到STC89C52驅動調速芯片完成調速，具體控制方式如圖5所示。

圖5 調速控制圖

3.6 增量式PID算法

數字PID控制是控制系統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）由設定值r（t）與實際值c（t）構成：

將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，控制量輸出為

由式（5）～（8）得PID控制規律傳遞函數為

（KP為比例系數；TI為積分時間系數；TD為微分時間系數。）

將模擬PID控制算法式（5）～（9）離散化，可得

由式（8）可知，當微處理器使用恒定的采樣周期T時，只要使用前后3次測量值。

4 整體程序設計

系統運轉流程如流程圖7所示，系統的整體的運轉分為四個階段。

圖7 系統運轉流程如流程圖

1）第一階段裝整體前移，步進電機快速運轉，將整體運送到指定位置。

2）第二階段電機降速，大小托板分離，接近開關實時檢測小托板的位置。

3）第三階段上側電機轉動，轉角測量模塊測量其轉動角度，將球準確的放到桌面。

4）第四階段上側電機與下側電機同時快速反轉回到起始位置。

5 系統性能測試結果分析

完成整體的裝置裝配以及步進電機控制系統，首先系統進行初始化，上位機給系統發出指令后，由單片機固有定時器T0記錄，運行每一階段所用的時間，將其顯示在液晶屏上。從圖8所示運行軌跡分析圖中可以看出，在對步進電機位置與轉速的精確控制下，軌跡1明顯比軌跡2的運行路程短，將縮短裝置的運行時間從表2中可看出優化后每階段的運行時間低于優化前，提高了設備的利用率，表明了增量式PID算法對步進電機的調速有一定的作用。

圖8 裝置運動軌跡分析圖

表2 優化前后時間對比表

6 結語

通過對整體裝置的運動特性進行分析設計出一種步進電機閉環控制系統，為了要滿足對其精確控制的要求設計出基于線性插值原理的轉角檢測方法，通過運用單片機的定時器對步進電機的脈沖頻率及寬度的調控，同時加入了增量式PID算法，對步進電機的輸出特性進行了優化，達到了優化的目的，整個裝置具有比較高的運行精度，具有使用價值，為以后相似裝置研究提供了參考。