黃賢帥（華南理工大學 廣州學院，廣東 廣州　510800）

基于ARM9和STM32的自由擺平板控制系統(tǒng)

黃賢帥
（華南理工大學 廣州學院，廣東 廣州510800）

針對自由擺平板控制系統(tǒng)，為了實現(xiàn)平板的轉(zhuǎn)動控制，完成硬幣激光燈一系列操作，設(shè)計制作了一套基于ARM9 和STM32的自由擺平板控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電機對自由擺系統(tǒng)中平板的狀態(tài)控制。系統(tǒng)以ARM9+STM32為核心，由伺服控制系統(tǒng)結(jié)合編碼器、角速度傳感器、單軸陀螺儀，采用工作頻率可達400MHz以上的S3C2440處理器并嵌入實時性很高的UCOS-II系統(tǒng)為主控制器，及時的處理采集回來的數(shù)據(jù)，使用增量式閉環(huán)控制算法實現(xiàn)電機精確控制，完成平板的轉(zhuǎn)動控制。整個系統(tǒng)精度高，抗干擾能力強，實現(xiàn)了平板的轉(zhuǎn)動、硬幣的狀態(tài)調(diào)整以及激光的投射控制。

伺服電機；ARM；平衡控制；平板

現(xiàn)代化的控制技術(shù)是一門跨學科的技術(shù)，它整合了如人工智能、測量控制和集成電路等多方面的知識，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通甚至軍事領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。基于自由擺的平板控制，是當前研究定位系統(tǒng)中常用的一種模型，通過對該模型的研究，有助于在測量控制等領(lǐng)域完成快速準確的定位，為之后開展進一步工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。

文中研究的主要內(nèi)容就是設(shè)計一個基于ARM9和STM32的自由擺平板控制系統(tǒng)，設(shè)計目標是在自由擺的擺動過程中，通過控制電機，使平板可以隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)3～5個周期；擺桿擺動一個周期平板旋轉(zhuǎn)一周，偏差絕對值不大于45°；用手推動擺桿至30°～60°之間的角度θ，在平板中心穩(wěn)定放置1枚或8枚1元硬幣，啟動后放開擺桿讓其自由擺動；在擺桿擺動過程中，要求硬幣不從平板上滑落。在平板上固定一激光筆，光斑照射在距擺桿150 cm距離處垂直放置的靶子上。當擺桿垂直靜止且平板處于水平時，調(diào)節(jié)靶子高度，使光斑照射在靶紙的某一條線上，標志此線為中心線。手動推動擺桿至30°～60°之間的角度θ，啟動后，系統(tǒng)應(yīng)在15 s內(nèi)控制平板并盡量使激光筆照射在中心線上，完成后以LED指示。

為完成基于ARM9和STM32的自由擺平板控制系統(tǒng)，系統(tǒng)加速度傳感器測量自由擺擺臂的實時偏角，使用伺服電機控制平板轉(zhuǎn)動，調(diào)整平板與水平方向的夾角，同時在平板上安裝加速度傳感器，測量平板傾角，與伺服電機構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，另外，系統(tǒng)使用矩陣鍵盤和TFT液晶構(gòu)成人機交互模塊。

1　系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)要求電機能夠精確控制平板隨擺桿擺過的角度而轉(zhuǎn)動，故使用加速度傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、系統(tǒng)主控制模塊等模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計，下面分別對幾個主要模塊進行論證與選擇。

1.1電機的論證與選擇

方案一：步進電機。步進電機一般是開環(huán)控制，負載能力較差。步進電機的轉(zhuǎn)動是“跳躍式”的，所以在使用起來會有跳格不能做到連續(xù)跟蹤，在做角度伺服時容易出現(xiàn)丟步和過沖，從而偏斜，致使硬幣掉落。

方案二：舵機。由于最大擺幅在+60°～-60°之間，所以一般的舵機可以實現(xiàn)120度的旋轉(zhuǎn)。再而舵機是通過脈沖的占空比來調(diào)整旋轉(zhuǎn)的角度，50％的占空比就是舵機的零點，在單擺的平衡點設(shè)置為舵機的零點。但是本系統(tǒng)是對角速度進行伺服，經(jīng)過試驗證明，目前我們對舵機的伺服不夠完善，舵機會抖動。

方案三：直流伺服電機。直流伺服電機的轉(zhuǎn)動是連續(xù)的，轉(zhuǎn)速可以均勻變化，易于調(diào)節(jié)?？蓪崿F(xiàn)“無極調(diào)速”。自帶旋轉(zhuǎn)編碼器，反饋單機轉(zhuǎn)速，方便控制，為伺服角速度提供閉環(huán)反饋量。

綜合以上3種方案的優(yōu)缺點，選擇方案三。

1.2下位機主控MCU的論證與選擇

方案一：STC89C51。這是一款使用比較廣泛的8位單片機，編程也簡單。正因為如此，它的外設(shè)較為簡單，集成度不高，需要的外部電路較多。本系統(tǒng)主要是在算法上的控制，對MCU的運算速度要求較高，但是它的計算速度不高，精度較低，程序儲存空間及數(shù)據(jù)儲存空間不夠大，故STC89C51這款單片機不能滿足本系統(tǒng)。

方案二：ATmega8。首先，AVR單片機是高速嵌入式單片機，I/O口功能強，具有A/D轉(zhuǎn)換等功能，有功能強大的定時器/計數(shù)器及通訊接口。但是該芯片供貨短缺，漸漸被其他芯片所取代，價格也比較貴。

方案三：STM32F103RCT6。這款芯片的性價比較高，集成度較高，集成了SPI通信協(xié)議，AD輸入，PWM輸出，中斷使用方便，高集成度的芯片減少了外圍電路的設(shè)計。同時該芯片各個功能的庫函數(shù)比較全面，使用其每個功能十分方便快捷，容易上手。

綜合以上3種方案的優(yōu)缺點，選擇方案三。

1.3上位機控制系統(tǒng)的論證與選擇

方案一：uc/os。uc/os占用空間少，執(zhí)行效率高，實時性能優(yōu)良，且針對新處理器的移植相對簡單。

方案二：linux。linux系統(tǒng)占用空間相對較大，具有對多種文件系統(tǒng)的支持能力、內(nèi)嵌了tcp/ip協(xié)議，可以借鑒linux豐富的資源，但是其實時性能一般，針對新處理器的移植相對復雜。

綜合以上兩種方案的優(yōu)缺點，且本系統(tǒng)需要較高的實時性，故選擇方案二。

2　系統(tǒng)理論分析與計算

2.1單擺運動的分析

2.1.1單擺的受力分析

在線的一端拴一個小球，另一端固定在懸點上，如果線的質(zhì)量相對于球的質(zhì)量以及球的直徑相對于線長可以忽略，這樣就形成單擺。

根據(jù)單擺的定義我們制作的單擺桿與轉(zhuǎn)軸之間是采用軸承銜接，減少摩擦力，盡量減少能量的損失，而桿采用盡量輕的，使桿的質(zhì)量相對于電機質(zhì)量可以忽略，所以我們采用了方鋁管，選擇方管是保證桿的鋼性確保單擺是在同一個平面上運動，機械上保證單擺的條件。

底板始終只受重力和細繩拉力的作用，重力為恒力，細繩拉力的方向始終垂直于線速度的方向。因此拉力不做功，只有重力做功，所以機械能守恒（理想狀態(tài)）。

圖1　平板受力分析

底板在最高點靜止的時候只受到重力的作用，任意一點的回復力由重力的分力提供G1=Gsinθ，同時可以得到角加速度g1=gsinθ。

細桿拉力T與重力G沿圓半徑方向的分力G2始終與擺桿擺動速度方向相垂直，僅僅改變速度的方向，其合力提供向心力，向心力為F1=T-mgcosθ。

2.1.2硬幣的單擺運動

在本系統(tǒng)中，硬幣要跟隨單擺做單擺運動。硬幣的單擺運動是由底板對硬幣的支持力和硬幣與底板的摩擦力提供的。在啟動時，底板與地面水平，硬幣水平疊加在底板上。在單擺啟動的瞬間，底板的運動可以分解水平方向的運動和向下運動，硬幣要想隨底板一起做單擺運動，必須有回復力和向心力，而在水平狀況下，底板下落后，硬幣受到底板的支持力減小，硬幣失重，所以水平方向的摩擦力減小，經(jīng)過驗證，硬幣會滑落。為了增大硬幣的回復力，在啟動后底板迅速轉(zhuǎn)為與桿垂直。這樣底板給了硬幣的斜向支點的支持力，還有指向平衡點的回復力。

2.2平板狀態(tài)檢測方法

使用伺服直流電機自帶碼盤計算底板偏離零點的角度，這里對角度進行伺服，當?shù)装瀹a(chǎn)生轉(zhuǎn)動的時候，通過碼盤值可以算出底板轉(zhuǎn)過的角度，具體實現(xiàn)方法為φ1=N*360°/1 000（N為反饋回來的碼盤值；1 000為該伺服電機的編碼器線數(shù)）。

通過角度傳感器MMA7361測量桿擺動的角度，單擺是單軸的變化，而MMA7361是三軸傳感器，此設(shè)計中只應(yīng)用了其中的一軸。MMA7361是模擬輸出量，該模塊水平放置是輸出穩(wěn)定的電壓值，當角度發(fā)生改變時，對應(yīng)的軸輸出電壓值產(chǎn)生變化，下位機通過AD采樣，通過與上一個取樣值對比得到電壓的變化量ΔV=Vt-Vo，具體實現(xiàn)方法為φ2=ΔV*β（β為角度轉(zhuǎn)換比例系數(shù)）。

單軸陀螺儀ENC-03MA是角加速度傳感器，可以直觀檢測到單擺的實時角加速。通過AD采樣得知實時的加速度為g1=g*sinθ，所以，φ3=θ-arcsin（g1/g）。

旋轉(zhuǎn)軸加裝5000線旋轉(zhuǎn)編碼器測量角度偏移量，編碼器測量出擺桿的擺動角度，計算方法與使用伺服直流電機自帶碼盤計算底板偏離零點的角度的方法類似。

通過以上的測量方法，多種測量方法測量一個角度，各個角度進行對比，濾掉差異較大的值，取正常值的平均值。由于角度傳感器MMA7361和單軸陀螺儀ENC-03MA輸出的模擬量需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，所以數(shù)字比較受到干擾，傳感器自身輸出有時會跳動不穩(wěn)定。所以這里在上位機加入卡爾曼濾波，很好的濾掉了錯誤信號，得到線性度良好的數(shù)據(jù)。

3　電路與程序設(shè)計

3.1電路的設(shè)計

3.1.1系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如2圖所示，本系統(tǒng)可以理解為電機伺服系統(tǒng)，通過外部的傳感器及電機的碼盤反饋值，實現(xiàn)閉環(huán)控制，下位機和上位機采用了高速全雙工SPI通信，做到快速響應(yīng)及處理好每一個動作。

3.1.2直流伺服電機驅(qū)動子系統(tǒng)

在伺服系統(tǒng)中，電機驅(qū)動是一個重點，電流大，功率高，因此干擾也大。所以在驅(qū)動電路設(shè)計上，采用雙電源，用光耦將控制部分和功率部分完全隔離，減少功率的部分對控制電路造成干擾。

在高速電路和大電流電路中需要考慮電路EMI，在走線時優(yōu)先考慮重要的信號的走線，電流流過圍成的面積盡量的小，最理想的是電源和地線貼著走線，減少電磁的產(chǎn)生。每個芯片電源入口接退耦電容，地引腳串聯(lián)一個0歐電阻接入到地。

電機全橋驅(qū)動子系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示，此方案是采用全橋mos管驅(qū)動電路，在mos管的柵極連接的兩個電阻，如R9是改變脈沖的上升的斜率，如果該電阻較大，電阻將發(fā)熱，因為電源管理芯片有一個灌電流進入柵極。所以我用了10歐姆的電阻。而R12為啟動電容放電使用的，稱為放電電容。取值在1～10 k之間。

3.1.3SPI總線系統(tǒng)

SPI系統(tǒng)框圖如圖4所示，設(shè)計該電路主要是為了提高帶載能力，采用邏輯與門輸出，同時也帶有濾波效果，作為一個電壓比較，濾掉低電壓的雜波，以及特高頻噪音。增強通信的穩(wěn)定性。

3.2程序的設(shè)計

本系統(tǒng)要求設(shè)計一個不受當?shù)刂亓顟B(tài)影響的單擺平衡系統(tǒng)，即平板轉(zhuǎn)動周期和單擺擺動周期相一致，并且相位差可以自動修正為0。為此，我們測定了每個周期的最大擺角，并且算出每個周期平板轉(zhuǎn)動的角度α，用360度減去這個角度，得到誤差E，對α進行PID運算，使其收斂于360度，即可減少誤差E，即使相位差減小，并且在一定范圍內(nèi)，達到單擺擺一個周期，平板轉(zhuǎn)一圈的效果。在實際測試當中，取得了良好的效果。

圖3　電機全橋驅(qū)動子系統(tǒng)電路原理圖

圖4　SPI系統(tǒng)框圖

經(jīng)過理論的分析和大量的實驗驗證，發(fā)現(xiàn)當平板垂直于擺桿的時候，硬幣掉落的情況極少。但是，在初始化的時候，由于θ較大，并且平板要水平放置硬幣，因此，難點在于平板水平狀態(tài)與平板與擺桿垂直狀態(tài)的切換，我們使用了一種比較創(chuàng)新的辦法，就是讓平板相對于擺桿的轉(zhuǎn)速與擺桿擺動的速度呈一定的正相關(guān)，或者類似正相關(guān)的關(guān)系，然后，操作者在釋放的時候控制好速度與力度，即可對平板的狀態(tài)和擺桿的狀態(tài)進行較好的控制，從而控制硬幣不從平板上掉下來，達到簡單易行實現(xiàn)要求的目的?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖5所示。

圖5　控制程序流程圖

4　測試方案與測試結(jié)果

4.1測試方案

4.1.1硬件測試

本系統(tǒng)的電路中，電機驅(qū)動是重點也是難點，在該電路中主要測試的是PWM波的失真度。測量單片機輸出時的波形與通過光耦后的波形，前后的兩個個波形進行比較，將兩波形調(diào)試到盡量的相同，具體措施是改變光耦的上拉電阻，通過示波器觀察失真度，通過測試失真度在正常工作范圍內(nèi)。

電路板的抗干擾測試。將多塊電路板同時上電，每塊電路板盡量靠近，測試板與板之間的相互電磁干擾和抗干擾能力，又稱電磁兼容性測試。

在整個電路上測試電路整體性能，先通過分部測試，根據(jù)每個小功能進行測試，將測試好的電路再搭建起來，再測試整體性能。

機械調(diào)試。根據(jù)單擺的理想條件，我們設(shè)計的桿是使用盡量輕的鋁管，既保證桿的質(zhì)量小，同時保證了桿的剛性。選用較重的電機，使桿的重量相對于電機的重量很小，可以看作為單擺運動。鋁管與轉(zhuǎn)軸的銜接是使用平面軸承減小桿跟轉(zhuǎn)軸的摩擦，同時減小了平行轉(zhuǎn)軸方向上的擺動，保證單擺在同一個平面上。

4.1.2軟件仿真測試

因為本系統(tǒng)的驅(qū)動板采用了控制芯片和驅(qū)動器電源隔離的布板方式，所以在軟件仿真中可以先將程序下載到芯片當中運行，采用手動鋪助的方式模擬自由擺的運動情況，通過TFT顯示屏觀察反饋回來的數(shù)據(jù)是否正確，這樣很容易發(fā)現(xiàn)程序的漏洞，及時的改正，大大縮短了調(diào)試的周期，使得我們的系統(tǒng)能在較短的時間調(diào)試成功。

4.1.3系統(tǒng)整體測試

將整個系統(tǒng)搭建好后，通過編寫各個要求的子程序，逐一調(diào)試，通過顯示屏實時觀察數(shù)據(jù)，通過攝像機觀察單擺的擺動情況。將調(diào)好的每個子程序再融合成完整的代碼，再進行聯(lián)調(diào)。

4.2測試條件與儀器

測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，照相機，邏輯分析儀，量角器，刻度尺。

4.3測試結(jié)果及分析

4.3.1測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）

平板旋轉(zhuǎn)角度控制與放置1枚硬幣平板的平衡狀態(tài)控制較簡單，測試結(jié)果較理想。對于放置8枚硬幣平板的平衡狀態(tài)測試結(jié)果如表1所示，激光定點跟隨的測試結(jié)果如表2所示。

4.3.2測試分析

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可知：

1）平板隨擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)完全實現(xiàn)跟隨，根據(jù)擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)，擺桿停止、平板馬上停止。擺桿有微小擺動時能旋轉(zhuǎn)，同時也存在問題：轉(zhuǎn)動偶爾不順。

表1　放置8枚硬幣平板的平衡狀態(tài)測試結(jié)果

表2　激光定點跟隨的測試結(jié)果

2）根據(jù)實驗結(jié)果，功能基本能實現(xiàn)，但是成功率還有待提高。

3）根據(jù)測試數(shù)據(jù)，激光點偏離起始點的距離在誤差范圍內(nèi)。

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)較好地滿足了設(shè)計要求。

5　結(jié)　論

系統(tǒng)以ARM9+STM32為核心，由伺服控制系統(tǒng)結(jié)合編碼器、角速度傳感器、單軸陀螺儀，采用工作頻率可達400 MHz以上的S3C2440處理器并嵌入實時性很高的UCOS-II系統(tǒng)為主控制器，及時的處理采集回來的數(shù)據(jù)，使用增量式閉環(huán)控制算法實現(xiàn)電機精確控制，基本達到了設(shè)計要求。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性良好、控制準確、達到設(shè)計要求。由于系統(tǒng)裝置在運動過程中存在輕微形變，且電機和傾角傳感器依然存在一定的精度誤差，雖然進行了分析處理，但精度和準確度仍有待進一步提高。

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Free pendulum control system based on ARM9 and STM32

HUANG Xian-shuai
（Guangzhou college，South China University of Technology，Guangzhou 510800，China）

Control system for free pendulum，to realize flat rotation control and accomplish a series of operations of a coin laser light，a flat control system based on free pendulum is designed，which realizes the flat control in a free pendulum system based on ARM9 and STM32.The system takes ARM9 and STM32 as the core，combined encoder，angular velocity sensor，single axis gyroscope by servo control system，the operating frequency can reach S3C2440 above the 400MHz processor and embedded real-time，UCOS-II system is the main controller，timely processing of the collected data，and uses an incremental closed-loop control algorithm for the accurate control of the stepper motor and further the rotation control of the flat.The whole system has a high precision and strong anti-interference capability.It realizes the flat rotation，coin state adjustment and laser projection control.

servo motor；ARM；balance control；flat

TN609

A

1674-6236（2016）11-0091-04

2015-12-08稿件編號：201512096

2014年度省級教學成果獎培育項目（53-SC140404）

黃賢帥（1987—），男，廣東廣州人，助理工程師。研究方向：嵌入式系統(tǒng)、單片機應(yīng)用。