自由擺平板控制系統的分析與設計

摘要：文章給出了一個(gè)基于自由擺的平板控制系統的設計與構建，系統以STC12C5A16S2型單片機為控制核心，經(jīng)角度傳感器MMA7455、直接數字式頻率合成器(DDS)、混合式步進(jìn)電機42BYGH4417及必要的外圍驅動(dòng)電路，實(shí)現平板隨著(zhù)擺桿的擺動(dòng)而旋轉，平板上的8枚硬幣隨擺桿擺動(dòng)不滑落，平板上的激光筆在15s內照射到指定的中心線(xiàn)位置。
關(guān)鍵詞：自由擺；單片機；角度傳感器；DDS；步進(jìn)電機

0 引言
現代檢測技術(shù)和自動(dòng)控制理論的飛速發(fā)展，能夠使得人們設計高精度的控制系統，基于自由擺的平板控制系統就是這些技術(shù)和理論的應用實(shí)例之一。
本文所討論的自由擺平板控制系統如圖1所示，該系統可以實(shí)現如下功能：(1)控制電機使平板隨著(zhù)擺桿的擺動(dòng)(3～5周)而旋轉，擺桿擺一個(gè)周期，平板旋轉一周(360°)，偏差絕對值小于45°。(2)在平板上粘貼一張打印紙，在平板中心穩定疊放8枚1元硬幣，用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度θ(θ在45°～60°間)，調整平板角度，啟動(dòng)后放開(kāi)擺桿讓其自由擺動(dòng)。在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中，硬幣在擺桿的5個(gè)擺動(dòng)周期中不從平板上滑落，并保持疊放狀態(tài)。(3)在平板上固定一激光筆，光斑照射在距擺桿150cm距離處垂直放置的靶子上。擺桿垂直靜止且平板處于水平時(shí)，調節靶子高度，使光斑照射在靶紙的某一條線(xiàn)上，標識此線(xiàn)為中心線(xiàn)。用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度θ(θ在30°～60°間)，啟動(dòng)后，系統應在15s內控制平板盡量使激光筆照射在中心線(xiàn)上(偏差絕對值1cm)，完成時(shí)以L(fǎng)ED指示。

1 系統方案選擇與論證
1．1 電機模塊的選擇與論證
電機是整個(gè)系統用于控制的不可缺少部分。電機的選擇不但要有快速的反應還要有準確的轉動(dòng)角度以配合整個(gè)系統的運行。
方案一：采用普通直流電機。直流電機具有良好的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣；過(guò)載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實(shí)現頻繁的無(wú)級快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉；能滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統各種不同的特殊運行要求。
方案二：采用步進(jìn)電機。步進(jìn)電機的顯著(zhù)特點(diǎn)就是能快速啟動(dòng)和停止，而且在程序上控制相對容易，如果負荷不超過(guò)步進(jìn)電機所能提供的動(dòng)態(tài)轉矩值，就能使步進(jìn)電機啟動(dòng)和反轉。另一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)就是轉換精度高，正轉反轉控制靈活。
方案三：采用金屬齒輪微型舵機，舵機具有體積小、輸出力矩大、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢，但不能簡(jiǎn)單完成轉動(dòng)360°的要求。
綜合以上，選擇方案二。
1．2 控制器系統的選擇與論證
控制器系統是整個(gè)系統的核心，控制著(zhù)數據的采集和發(fā)送，控制器的性能好壞決定了整個(gè)系統的準確性?？刂破饕筮\算速度較快，數據傳輸接口豐富易用。
方案一：采用STC12C5A16S2作為控制核心。51單片機價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單、軟件編程自由度大，可用編程實(shí)現各種控制算法和邏輯控制，但其運算速度較低，增大了硬件電路設計與控制過(guò)程的復雜度。
方案二：采用FPGA作為系統的控制器。FPGA可以實(shí)現各種復雜的邏輯功能，規模大、密度高。但由于本設計對數據處理速度要求不高，FPGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)其芯片引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線(xiàn)復雜，加重了電路設計和實(shí)際焊接的工作。
綜合以上，選擇方案一。
1．3 傳感器的選擇與論證
傳感器能進(jìn)行平板的角度檢測，是一種被測量參數能按一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器是與被測對象直接有關(guān)聯(lián)的部分，其性能的優(yōu)劣直接影響著(zhù)檢測系統的精度，所以傳感器的正確選擇十分關(guān)鍵。
方案一：采用無(wú)觸點(diǎn)磁敏電位器，利用磁敏元件非接觸地感應磁場(chǎng)強度的變化，實(shí)現對角度的測量。但缺點(diǎn)是其頻響特性差、截止頻率低、精度低，不適用于機械安裝，電機的振動(dòng)也影響其準確性。
方案二：采用加速度計，通過(guò)加速度計的旋轉，輸出值g，與平衡位置比較，可換算成水平傾角，讀取數據簡(jiǎn)便，傳感器體積較小，也易于安裝在系統上進(jìn)行測量。
綜合以上，選擇方案二。

2 系統設計
2．1 系統總體設計
系統的總體設計框圖如圖2所示，此系統是一個(gè)自動(dòng)平衡測試系統，它由自由擺系統、檢測系統和控制驅動(dòng)系統三大部分構成。