王關(guān)平 牛彩霞 高曉陽(yáng) 孫 偉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省廣播電影電視局無(wú)線傳輸中心，甘肅 蘭州 730030)

1 引言

現(xiàn)代檢測(cè)與控制技術(shù)是一門集測(cè)量、控制及計(jì)算機(jī)等于一體的綜合技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、科研等各個(gè)方面。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)以及相關(guān)的檢測(cè)和儀表技術(shù)發(fā)生了很大變化，生產(chǎn)過(guò)程的控制也已逐步由常規(guī)控制發(fā)展為計(jì)算機(jī)控制，控制方向也由簡(jiǎn)單的PID控制向先進(jìn)控制、優(yōu)化控制方向發(fā)展，控制規(guī)模也從局部自動(dòng)化向綜合自動(dòng)化方向迅速發(fā)展[1]。

自由擺平衡控制系統(tǒng)由自由擺裝置、步進(jìn)電機(jī)、平板以及控制裝置等模塊組成，該系統(tǒng)既是一種單自由度的典型機(jī)構(gòu)，又是一種集傳感器、數(shù)字控制、單片機(jī)應(yīng)用及伺服驅(qū)動(dòng)為一體的綜合性裝置[2]。東南大學(xué)朱秀梅等可使擺桿推起至30°處釋放后，擺桿至少可以作5個(gè)周期以上的自由阻尼擺動(dòng)，帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，擺動(dòng)角度范圍為-60°～+60°，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，平板保持在水平位置的誤差≥ ±3°，角度檢測(cè)的分辨能力為1°[3]。張明等[4]和羅名吉等[5]實(shí)現(xiàn)的自由擺裝置擺動(dòng)角度較大，為-80°～+80°，但平板保持在水平位置的誤差也＞3°。

控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單化、低成本化，角度控制誤差小及自由擺角的大幅度化是自由擺平衡控制系統(tǒng)研究發(fā)展的顯著趨勢(shì)[6-8]。為此，本研究基于AT89S52單片機(jī)，采用高精度環(huán)形電位器作為擺桿傾角傳感器，將自由擺擺桿的角位移實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他條件確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、速度等，從而通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路給四相步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)間歇性平板傾角檢測(cè)電路，對(duì)平板位置進(jìn)行周期性修正，使自由擺擺動(dòng)過(guò)程中末端平板持續(xù)保持在水平狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

2.1 系統(tǒng)方案

本研究確定的自由擺平衡控制系統(tǒng)總體功能框圖如圖1所示，是由控制器、擺桿傾角檢測(cè)、平臺(tái)傾角檢測(cè)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路及顯示等幾大部分構(gòu)成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過(guò)擺桿傾角檢測(cè)電位器(即高精度環(huán)形電位器)獲得自由擺偏離平衡位置的角度，通過(guò)平板傾角檢測(cè)電路獲得平板偏離水平位置的角度;而后，控制器(即單片機(jī)AT89S52)根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出電機(jī)應(yīng)該發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并發(fā)出控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)平板運(yùn)動(dòng)，盡量維持平板在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中的水平狀態(tài);執(zhí)行元件選擇步進(jìn)電機(jī)(42BYGHID439)，使用步進(jìn)電機(jī)的原因包括:控制簡(jiǎn)單，由于可接受數(shù)字脈沖輸入而變得易于與其他設(shè)備接口等;相應(yīng)的角度、擺桿擺動(dòng)方向等信息則實(shí)時(shí)顯示在LCD128×64的液晶顯示器上。

2.2 擺桿與平板運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析

由圖2所示的擺桿與平板運(yùn)動(dòng)關(guān)系幾何圖可以證明:擺桿偏離豎直位置的角度θ與平板應(yīng)該發(fā)生的偏離角度相等。因此，必須設(shè)置一個(gè)擺桿偏離平衡位置的傾角檢測(cè)傳感器，來(lái)得到步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該偏轉(zhuǎn)的角度值。

圖1 系統(tǒng)總體功能框圖

2.3 擺桿傾角的獲取分析(見圖3所示)

圖2 擺桿與平板運(yùn)動(dòng)關(guān)系

圖3 擺桿擺角檢測(cè)電位器電路

擺桿傾角的獲取可以高精度環(huán)形電位器代替專用的角度傳感器(誤差≤0.5%，價(jià)格低廉)。由于安裝時(shí)不一定能使電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)正對(duì)電位器的中點(diǎn)處，因此，讓控制器記住參考點(diǎn)電U0的數(shù)值非常必要。我們定義擺桿處于平衡位置右側(cè)時(shí)擺角為正，擺桿處于平衡位置左側(cè)時(shí)擺角為負(fù)，擺桿處于平衡位置時(shí)擺角為0°。

其中，

θ—擺桿偏離平衡位置的角度，該值＜0°為左偏，＞0°為右偏，單位為度(°);

U—擺桿處于某一位置時(shí)擺角檢測(cè)電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)上的電壓值，單位為伏;

U0—參考點(diǎn)電壓，即θ=0°時(shí)的U之值，單位為伏;

U2—擺桿右擺至70°時(shí)的U之值，單位為伏;

U1—擺桿左擺至-70°時(shí)的U之值，單位為伏;

2.4 平板傾角的獲取分析(見圖4所示)

圖4 半環(huán)形光柵檢測(cè)器

平板傾角的獲取采用半環(huán)形光柵檢測(cè)器獲得。原因如下:①半圓形光柵檢測(cè)器與此處擺桿的擺動(dòng)幅度與軌跡正好吻合;②光柵檢測(cè)器的輸出精度較高(應(yīng)用至此處換算后可達(dá)0.01°);③光柵檢測(cè)器的指針與光柵間的摩擦很小，對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。不過(guò)，與擺桿傾角的獲取相似，系統(tǒng)也必須記住平板處于水平位置時(shí)的光柵檢測(cè)器角度輸出值Φ0。要申明的一點(diǎn)是:本研究中此處的半環(huán)形光柵檢測(cè)器主要用于擺桿擺動(dòng)一周后對(duì)平板經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí)進(jìn)行水平度矯正，并非形成位置反饋。

3 測(cè)試及結(jié)論

我們共進(jìn)行了定點(diǎn)和動(dòng)態(tài)兩類測(cè)試，其中，以1枚和3枚硬幣進(jìn)行了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究設(shè)計(jì)的基于AT89S52的簡(jiǎn)易自由擺平衡控制系統(tǒng)角度測(cè)量準(zhǔn)確、控制穩(wěn)定性較好，適應(yīng)性較強(qiáng)，平板的水平控制誤差可以限定在1.8°以內(nèi)。但在自由擺擺角大于60度時(shí)，平臺(tái)控制穩(wěn)定性有有所降低，平臺(tái)出現(xiàn)顫振，這是今后應(yīng)該努力突破的方向。

[1]張志君，于海晨，宋彤.現(xiàn)代檢測(cè)與控制技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.1-3

[2]http://www.eepw.com.cn/event/action/nuedc2011/[2013/4/20]

[3]朱秀梅.基于Cortex-M3 ARM的自由擺平衡控制系統(tǒng)的研究[D].福州:東南大學(xué)，2010.

[4]張明，洪志和，于飛.2011年瑞薩杯2011全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽論文[R].2011.

[5]羅名吉，桑和西，吳建.2011年瑞薩杯2011全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽論文[R].2011.

[6]張茹，孫松林.嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.1-7

[7]吳秀芹，高國(guó)偉，李倩蕓，等.傾角傳感器自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(4):54-55

[8]李真，張玉兵，韓晶晶，等.基于自由擺的平板控制系統(tǒng)[J].傳感器世界，2012，(1):13-16