邢 華，范亞琳，王文寧，趙志駿

(1.承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校熱能工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校電氣與電子工程系，河北 承德 067000)

1 系統(tǒng)方案

電磁控制單擺運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、輸入模塊和顯示模塊四部分組成，下面分別對(duì)幾個(gè)模塊進(jìn)行論證和選擇。

1.1 控制模塊

采用STM32F103單片機(jī)作為控制模塊核心元件。STM32F103單片機(jī)采用ARM內(nèi)核。一般采用哈弗結(jié)構(gòu)，具有高速指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，ARM芯片除了具有ARM核心外，還具有豐富的外設(shè)接口，例如:外擴(kuò)RAM和FLASH控制器、LCD控制器、SD接口、串行接口、USB接口、I2C和I2S總線接口，此外，ARM芯片還具有低功耗、體積小等特性。ARM芯片的高性能、多接口特點(diǎn)決定了其比單片機(jī)和DSP更適合作為嵌入式系統(tǒng)的核心處理器［1］。

1.2 驅(qū)動(dòng)模塊

采用L298N芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。L298N是SCG公司生產(chǎn)的雙全橋2A電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，輸出功率可達(dá)25W［2］。L298N具有反應(yīng)速度快、控制能力強(qiáng)、可控方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 輸入模塊

采用觸摸屏輸入。觸摸屏可以根據(jù)菜單樣式來(lái)設(shè)置按鍵位置，按鍵設(shè)置靈活，便于操作，節(jié)約單片機(jī)I/O口。同時(shí)觸摸屏具有輸出界面色彩可調(diào)、視覺(jué)效果良好等特點(diǎn)。觸摸屏采用異步、全雙工串口，串口模式為8nl，即每個(gè)數(shù)據(jù)傳送采用10個(gè)位:一個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位［3］。

角度傳感器輸入模塊采用WDD35D型角度傳感器。WDD35D角度傳感器是一個(gè)高精度、標(biāo)稱(chēng)阻值為0.5～10 kΩ 的電位器。其阻值偏差為 ±15%;線性度達(dá)到0.1%;線性精度為0.1%、0.3%和0.5%;功率為2 W，壽命為5 000萬(wàn)次;機(jī)械轉(zhuǎn)角可達(dá)360°;理論電旋轉(zhuǎn)角為345°;測(cè)量角度的最大偏差為0.345°［4］。

1.4 顯示模塊

使用TFT彩屏顯示。TFT彩屏的特點(diǎn)主要有顯示畫(huà)面清晰、畫(huà)面效果良好、無(wú)輻射危險(xiǎn)、分辨率高，同時(shí)可以顯示16位真彩畫(huà)面，顯示圖片及其他顏色，畫(huà)面視覺(jué)良好，可控性及編程簡(jiǎn)單，使用方便。

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1 PWM控制技術(shù)與A/D、D/A轉(zhuǎn)換

1)PWM控制原理:它是通過(guò)改變輸出方波的占空比來(lái)改變等效的輸出電壓。脈寬調(diào)制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個(gè)所需要的電壓或電流信號(hào)［5］。通過(guò)改變方波的占空比來(lái)改變高低電平產(chǎn)生的時(shí)間，從而可以調(diào)節(jié)電流和電壓的大小。

2)D/A轉(zhuǎn)換:單片機(jī)用于控制時(shí)往往要將運(yùn)算后的控制量(數(shù)字信號(hào))轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)或其他輸出部件，這種轉(zhuǎn)換稱(chēng)之為數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換［6］。STM32F103內(nèi)部集成了12位的高速A/D(D/A)轉(zhuǎn)換芯片。A/D轉(zhuǎn)換器是用來(lái)通過(guò)一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將角度傳感器的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)數(shù)字信號(hào)，然后利用單片機(jī)進(jìn)行控制。

2.2 系統(tǒng)總體分析

方案:利用電磁鐵斥力作用，擺桿受力分析見(jiàn)圖1。

由圖1可知，當(dāng)擺桿垂直靜止在中間位置時(shí)，擺桿就受兩個(gè)力的作用:垂直向下的重力和軸的支持力。此時(shí)電磁鐵若給永久磁鐵一個(gè)斥力(如圖1(a)所示)，擺桿就會(huì)向左擺動(dòng)。

然而電磁鐵所給磁力的范圍并不是很廣，在15°范圍內(nèi)，所以在擺桿超過(guò)15°時(shí)就需要利用慣性使擺桿達(dá)到一定高度。當(dāng)擺到最高角度時(shí)(如圖1(b)所示)，便會(huì)向下擺動(dòng)，在角度傳感器檢測(cè)達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，電磁鐵再次給永久磁鐵一個(gè)動(dòng)力，擺桿便會(huì)向右擺動(dòng)，同時(shí)也會(huì)比上一次擺動(dòng)的高度要高，這樣反復(fù)在最低處施加斥力，擺桿就能越擺越高，當(dāng)斥力最大時(shí)，此時(shí)所給的動(dòng)能能夠讓擺桿擺到一個(gè)最大高度。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該方案測(cè)得最大擺角可達(dá)到55°，滿足設(shè)計(jì)的最大45°擺角要求。因此，采用此方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)裝置。

2.3 角度控制

實(shí)際測(cè)試表明:當(dāng)電磁鐵給永久磁鐵最大斥力時(shí)，擺角能夠擺到55°。當(dāng)給不同大小的斥力時(shí)，擺角就能擺到不同的角度。在最初以最大斥力讓擺桿首先起振擺動(dòng)，同時(shí)用角度傳感器(電位器)監(jiān)測(cè)擺桿所擺到的角度，當(dāng)角度傳感器檢測(cè)超過(guò)所設(shè)定的角度時(shí)，用PWM控制使電壓減小，電磁鐵所給動(dòng)能也相應(yīng)減小，從而使擺角逐漸減小。當(dāng)小于指定角度時(shí)，利用PWM控制輸出使斥力增大，動(dòng)能增大，使擺角增大，最后系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)會(huì)輸出一個(gè)合適的電壓，使擺角恒定，從而達(dá)到角度控制的作用。

2.4 周期控制

2.5 角度與周期綜合控制

角度與周期同時(shí)控制時(shí)需在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加第4個(gè)輔助磁鐵，如圖2所示。

首先使擺角擺到指定角度略大一點(diǎn)的角度，此時(shí)它的周期在0.5 s左右，當(dāng)角度傳感器檢測(cè)到一個(gè)指定角度(輔助磁鐵所能受到力的角度)，輔助磁鐵4開(kāi)始產(chǎn)生一個(gè)較小的斥力，使擺桿運(yùn)動(dòng)速度慢慢減小，角度傳感器檢測(cè)到達(dá)到指定角度時(shí)，輔助磁鐵4會(huì)變成一個(gè)吸引力，吸住擺桿，延時(shí)一段時(shí)間慢慢釋放，在經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)，主磁鐵再次給擺桿一個(gè)動(dòng)能，使擺桿擺到所設(shè)角度，經(jīng)過(guò)右邊小磁鐵稍微改變它的下降速度，再次擺到左指定角度，輔助磁鐵4吸住，延時(shí)一段時(shí)間釋放，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)角度與周期綜合控制的要求。周期的時(shí)間主要取決于輔助磁鐵4吸住擺桿的時(shí)間。

3 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)論

3.1 測(cè)試方案

擺幅測(cè)試:1)量角器測(cè)量。利用系統(tǒng)自帶量角器進(jìn)行測(cè)量。擺動(dòng)穩(wěn)定后，目測(cè)并記錄擺動(dòng)角度。2)系統(tǒng)內(nèi)單片機(jī)測(cè)量。首先對(duì)擺角轉(zhuǎn)換成的AD值進(jìn)行標(biāo)定并存儲(chǔ)在內(nèi)部ROM。擺動(dòng)穩(wěn)定后，單片機(jī)將最大擺角所轉(zhuǎn)換AD值與標(biāo)定值進(jìn)行比對(duì)，從而讀出擺角。

周期測(cè)試:1)秒表(10 ms級(jí))測(cè)量。擺動(dòng)穩(wěn)定后，使用秒表測(cè)量20個(gè)擺動(dòng)周期的累積時(shí)間T1，單個(gè)擺動(dòng)周期由T=T1/20計(jì)算得到。2)系統(tǒng)內(nèi)測(cè)量。利用系統(tǒng)單片機(jī)自帶定時(shí)器，記錄穩(wěn)定后，測(cè)量20個(gè)擺動(dòng)周期的累積時(shí)間T1，單個(gè)擺動(dòng)周期由T=T1/20計(jì)算得到。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

電磁控制單擺運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由表1測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出:1)4個(gè)電磁鐵組成的動(dòng)力系統(tǒng)配合角度傳感器來(lái)控制擺桿運(yùn)動(dòng)方向和擺動(dòng)幅度，通過(guò)角度傳感器的反饋值，可以對(duì)4個(gè)電磁鐵進(jìn)行良好的控制，但是仍然有誤差，對(duì)所加的電壓不能控制在較好的線性范圍變化。2)本系統(tǒng)如果找到對(duì)周期或者擺幅影響的主要因素，單獨(dú)對(duì)周期、擺幅進(jìn)行控制比較簡(jiǎn)單。3)綜合控制擺幅和周期，主要影響控制效果的變量往往相互矛盾(如希望周期大要求中間磁鐵斥力小、兩邊磁鐵吸力大，而希望擺幅大則要求中間斥力大、兩邊吸力小)，往往要研究新的控制方法才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所以編程難度很大。

表1 周期擺腳綜合測(cè)試結(jié)果

綜上所述，本設(shè)計(jì)器件選擇獨(dú)特，硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

［1］張勇.ARM原理與C程序設(shè)計(jì)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

［2］黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽常用電路模塊制作［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［3］黃志偉，王彥，陳文光，等.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［4］黃志偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電路設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［5］張崇巍，李漢強(qiáng).運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2002.

［6］徐愛(ài)華.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.