趙 鵬， 荊紅莉

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

同位升降控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙 鵬， 荊紅莉

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

針對兩個電動推桿難以精確同位控制的問題，以單片機為控制器，電動推桿為被控對象，結(jié)合電源電路、驅(qū)動電路、RS-232接口電路、超聲波測距模塊及紅外光電傳感器，提出了同位升降控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對兩個電動推桿的獨立有線測控裝置的一鍵式啟動控制。該系統(tǒng)在單桿推力為20 kg時，具備在高度為0～300 mm，速度為3～40 mm/s范圍內(nèi)到達(dá)隨機設(shè)定的高度、速度的控制功能；具備在同一位置隨機設(shè)定高度的往返控制功能；具備在不同初始條件下的快速同位功能。該系統(tǒng)上位機界面利用VC++編寫，通過RS-232總線與單片機交互，實現(xiàn)對同位升降控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的實時顯示和在線控制功能。采用主從機獨立控制系統(tǒng)使系統(tǒng)性能穩(wěn)定，對農(nóng)業(yè)機械、醫(yī)療、消防、家具、衛(wèi)生潔具、休閑等多個領(lǐng)域的應(yīng)用有一定的借鑒作用。

單片機； 主從機；光電傳感器； PLC; 控制系統(tǒng)； RS-232

0 引言

農(nóng)業(yè)機械(如玉米剝皮機工作臺、車載式施肥機肥量控制系統(tǒng)、磨輥離合的電動磨粉機等)、醫(yī)療設(shè)備(如電動護理床、手術(shù)床，日常家用設(shè)備如按摩椅、電動展臺、電動天窗及人體工程家具等)都需要利用電動推桿作為被控對象，實現(xiàn)同位控制。電動推桿以電機為動力源，通過一對齒輪傳動變速，帶動一對絲桿、螺母轉(zhuǎn)動，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。其具有良好的線性特性，內(nèi)部含有行程保護裝置，能自動保護本機，安全性極高，在很多場合優(yōu)于機械式、氣動式、液壓式執(zhí)行機構(gòu)。但市面上大多數(shù)同位升降控制系統(tǒng)智能化程度較低，系統(tǒng)功能單一，已成為制約后續(xù)產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。本設(shè)計將電動推桿的工作模式、速度等通過PC機與單片機實時顯示，并可以利用按鍵在線調(diào)節(jié)控制參數(shù)，對實物調(diào)試過程中存在的問題提出改進措施，使系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定。

1 方案對比與結(jié)構(gòu)分析

1.1 方案對比

①基于PLC的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，無需設(shè)計驅(qū)動電路和RS-232接口電路。上位機顯示界面利用組態(tài)王設(shè)計更為專業(yè)，但識別超聲波測距模塊的信號較為復(fù)雜。下位機的顯示器需采用觸摸屏，且觸摸屏接口RS-232被上位機占用，對于高度的設(shè)定需采用位置開關(guān)檢測，控制系統(tǒng)體積大、成本高。

②利用單片機作為控制器，所需外圍電路雖要自行設(shè)計，但與超聲波測距模塊、紅外光電傳感器的電平標(biāo)準(zhǔn)一致，接口設(shè)計簡單。下位機采用圖形液晶顯示器顯示，控制系統(tǒng)體積小、成本低。

③對于系統(tǒng)速度與高度測量，一方面，利用霍爾傳感器采集電動推桿中電機轉(zhuǎn)速，根據(jù)絲桿間距與絲桿速度比計算出當(dāng)前速度與高度；另一方面，利用超聲波測距模塊測量當(dāng)前高度并計算實時速度。前者控制精度受到各方面的制約，誤差較大；后者采用直接測量的形式，控制簡單且精度高、對于不同類型的電動推桿通用性強[1-2]。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

本設(shè)計由主機和從機兩部分組成。主從機控制器均采用國產(chǎn)宏晶科技推出的STC89C52單片機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主機實現(xiàn)信號的采集、變換、處理、顯示及對被控對象的控制，從機根據(jù)紅外光電傳感器檢測主機的狀態(tài)，并設(shè)定程序作出相應(yīng)動作。電源電路是系統(tǒng)正常運行的前提；鍵盤電路實現(xiàn)同位升降控制系統(tǒng)的一鍵式啟停、高度、速度的設(shè)置及模式切換功能；報警電路實現(xiàn)系統(tǒng)完成設(shè)定運行狀態(tài)后的提示；超聲波測距模塊用來進行伸縮高度的測量；LCD顯示電路顯示當(dāng)前電動推桿的高度、運行速度及工作模式；RS-232接口電路通過RS-232總線，實現(xiàn)單片機與上位機的通信；由于單片機輸出電流較小，不足以驅(qū)動外圍設(shè)備，需經(jīng)驅(qū)動電路連接至電動推桿。

主從機的硬件設(shè)計非常相似，可便于印刷電路板(printed circuit board,PCB)布局、布線和程序移植。

2 硬件設(shè)計

2.1 電源電路設(shè)計

本設(shè)計的電動推桿需要12 V直流電壓驅(qū)動，單片機及外圍設(shè)備的正常工作則需要5 V直流電源供給，將市電電壓經(jīng)變壓、整流、濾波及穩(wěn)壓環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為所需的直流電壓。整流電路部分采用硅橋整流器KBU610，其平均整流輸出電流為6 A。

設(shè)u為整流輸出電壓,U2為變壓器變壓后的有效值，整流輸出電壓的平均值U為：

(1)

整流后的輸出u可利用傅氏級數(shù)分解為：

(2)

脈動系數(shù)S為基波峰值與平均值之比，則其表達(dá)式為：

(3)

由u的傅氏級數(shù)展開式可知，整流后的輸出為脈動直流電，通過濾波使其平滑。濾波電路采用LC-π型濾波，其綜合了電感濾波和電容濾波的優(yōu)點，濾波效果較好。由于電感的直流電阻小、交流阻抗大，因此直流分量經(jīng)過電感后基本無衰減，而交流分量經(jīng)過jwL分壓后，降低了輸出電壓的脈動成分。穩(wěn)壓則采用三端穩(wěn)壓器實現(xiàn)。

2.2 控制電路設(shè)計

主機控制電路以STC89C52單片機為控制器，主要包括驅(qū)動電路、鍵盤電路、RS-232接口電路、超聲波測距模塊及LCD顯示電路等。

電動推桿的核心為永磁無刷直流電機，利用L298電機驅(qū)動芯片驅(qū)動，其工作電壓最高可達(dá)46 V，瞬間峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2 A，內(nèi)含兩個H橋的全橋式驅(qū)動器。利用單片機定時器設(shè)置占空比改變電樞電壓，實現(xiàn)脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)調(diào)速。通過單片機接口的高低電平控制驅(qū)動芯片的輸出極性，實現(xiàn)對電動推桿的升降控制[3-4]；鍵盤電路的設(shè)計利用獨立鍵盤實現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)置；RS-232接口與單片機的電平標(biāo)準(zhǔn)不一致，前者為RS-232電平，后者為TTL電平，需要經(jīng)過MAX232實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換后，才能與上位機交互；超聲波測距模塊經(jīng)單片機標(biāo)度變換，實現(xiàn)對升降系統(tǒng)高度的實時測量；蜂鳴器電路實現(xiàn)系統(tǒng)完成相應(yīng)設(shè)置任務(wù)后的提示；顯示電路利用圖形液晶LCD12864顯示，采用串行工作方式，節(jié)省了單片機的I/O資源。

從機電路的設(shè)計與主機相同，其區(qū)別在于從機無RS-232接口，需通過紅外光電傳感器檢測主機狀態(tài)，實現(xiàn)一鍵式啟動。紅外光電傳感器輸出的TTL電平，與單片機兼容，可直接相連。

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

主程序是控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定操作方式運轉(zhuǎn)的程序，它負(fù)責(zé)組織調(diào)用各子程序模塊。串口通信設(shè)置主要是對單片機中的SCON、SBUF特殊功能寄存器的設(shè)置；模式切換、高度及速度設(shè)置則通過鍵盤電路實現(xiàn)。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.2 標(biāo)度變換

為了將采集的數(shù)字量在LCD上顯示成帶有被測單位的具體數(shù)值，必須進行標(biāo)度變換。在高度測量中，利用超聲波測距模塊的TRIG引腳，啟動測距模式，模塊自動發(fā)送八個40 kHz的方波，信號遇障礙返回，ECHO輸出高電平，其高電平持續(xù)時間則為超聲波發(fā)射到返回的時間。高度h的計算公式為：

h=(th×340)/2

(4)

式中：th為高電平時間；340為聲速，m/s;由于超聲波為往返傳輸，故除以2。

系統(tǒng)速度的設(shè)置采用PWM原理，利用單片機定時器T0，設(shè)定脈沖寬度為t、脈沖周期為T、占空比D=t/T[5]，則電動推桿的升降速度為：

Vd=Vmax×D

(5)

式中:Vmax為電動推桿的最大升降速度，由電動推桿廠商資料知當(dāng)驅(qū)動電壓為12 V時，最大速度Vmax取40 mm/s[6]。

電動推桿的控制符合經(jīng)典控制理論的基本特點。利用超聲波測距模塊測量當(dāng)前速度，利用PID控制算法實現(xiàn)對其速度的穩(wěn)定控制。PID控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PID控制結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)電動推桿的特性，得出電機轉(zhuǎn)速與電壓、絲桿位移的傳遞函數(shù)。利用單片機軟件結(jié)合PID算法，實現(xiàn)速度的穩(wěn)定控制[7-8]。

4 系統(tǒng)調(diào)試及存在問題分析

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

上位機界面利用VC++中的MSComm控件編寫，通過MSComm控件發(fā)送到下位機的數(shù)據(jù)必須是字符串類型，以9 600 bit/s與上位機通信。如果下位機有數(shù)據(jù)傳送到上位機，應(yīng)用程序?qū)⒂|發(fā)OnComm事件，對上傳的數(shù)據(jù)進行處理[9-10]。

當(dāng)電動推桿工作在正常工作模式下，對設(shè)定高度與實際運行高度進行對比。對其中每組數(shù)據(jù)測量5次并取平均值，高度測量結(jié)果如表1所示。

表1 高度測量結(jié)果表

由表1可知，高度誤差范圍在±0.2 cm內(nèi)。存在誤差的主要原因在于PID控制較為簡單，單片機無法處理浮點數(shù)據(jù)，故精度不高。

4.2 調(diào)試過程中的問題分析

4.2.1 驅(qū)動芯片L298上電后擊穿

電動推桿的升降速度與所加的電壓有關(guān)，電壓越高、速度越快。如果設(shè)計中利用開關(guān)電源，即應(yīng)使額定電壓在L298的耐壓范圍內(nèi)。由于開關(guān)電源上電瞬間電壓大于L298的耐壓值，導(dǎo)致L298被擊穿。利用本設(shè)計中的線性直流穩(wěn)壓源，可以防止該類問題的出現(xiàn)。此外，對于不同廠商規(guī)格型號一致的驅(qū)動芯片，其耐壓值也不同，因此在采購中應(yīng)優(yōu)先考慮正規(guī)產(chǎn)品，同時使用散熱卡。

4.2.2 超聲波測距的精度及系統(tǒng)安裝

在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，聲速隨溫度近似成正比變化。當(dāng)溫度為15 ℃時，聲速約為340 m/s。每增加1 ℃，聲速增加0.607 m/s。夏季當(dāng)溫度為35 ℃時，聲速為352 m/s；冬季當(dāng)溫度為-20 ℃時，聲速為319 m/s。本設(shè)計選用聲速為340 m/s，測量誤差為±0.3 cm。由于超聲波有一定的散射角度，為了防止電動推桿桿體和底部對散射波的影響，超聲波測距模塊應(yīng)安裝于電動推桿頂部(突出10 cm左右)，底部安裝擋板，防止散射波對高度測量的影響。

5 結(jié)束語

本設(shè)計為兩個獨立的同位升降控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)之間無數(shù)據(jù)傳輸，為完成一鍵式啟動，從機采用紅外光電傳感器檢測主機的狀態(tài)。當(dāng)主機啟動時，從機也隨之按設(shè)定的模式運行。若設(shè)計為一個控制系統(tǒng)，根據(jù)驅(qū)動器L298的特性，可直接擴展出另一路電動推桿的接口，而

且控制較為簡單，但電動推桿的功率會受影響。測距模塊中如果使用紅外測距傳感器，則無需考慮散射角度和溫度的影響，使整個系統(tǒng)外形更加美觀。

[1] 王海霞，顏桂定，李寶輝，等.直線電機運動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J]．電子測量與儀器學(xué)報，2013,27(3):264-269.

[2] 王悅，姜壽山，付永升，等.云臺控制在旋轉(zhuǎn)掃描式人體非接觸測量中的應(yīng)用[J].計算機工程與科學(xué)，2015,37(7):1412-1416.

[3] 徐富新，向超，劉雁群，等.實驗室測試數(shù)據(jù)實時收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學(xué)，2015，37(4):704-710.

[4] 朱鳳武，岳仕達(dá)，于豐華，等.基于電動推桿的玉米剝皮機角度角度控制系統(tǒng)[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014,36(3):366-370.

[5] 周鵬飛. 基于嵌入式的推桿電機控制系統(tǒng)設(shè)計[D].西安:長安大學(xué)，2015.

[6] 郭哲. 全方位運動電動輪椅的系統(tǒng)設(shè)計與研制[D].杭州:浙江大學(xué)，2014.

[7] 范文超，陳興林，王斌，等.光刻機運動平臺系統(tǒng)的模型辨識[J].自動化儀表，2015,36(5):7-11，18.

[8] 羅錫文，單鵬輝，張智剛，等.基于推桿電動機的拖拉機液壓懸掛控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015,46(10):1-5.

[9] 董凱莉，吳杰峰，劉志宏，等.基于VC++的校正場線圈繞制系統(tǒng)的建模與仿真[J].計算機測量與控制，2015,23(12):4031-4033,4037.

[10]張汝彬，蘇鋒，陳斌，等. 水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與搭建[J].自動化儀表，2016,37(3):35-38.

Design and Realization of the Apposition Lift Control System

ZHAO Peng，JING Hongli

(School of Energy Engineering,Yulin University,Yulin 719000,China)

Aiming at the difficulty of precisely implementing appositive control for two electric putters,taking MCU as the controller and electric putter as the control target;combining with the power supply circuit,driving circuit,RS-232 interfacing circuit,ultrasonic ranging module,and infrared photoelectric sensor,etc.,the one-button startup control of the independent wired measuring and control device composing of two electric putters is realized. The system provides control functions,including reaching randomly setting height and speed within 0～300 mm height,and 3～40 mm/s at 20 kg single rod trust;the back and forth control at the same position of randomly setting height;and the rapid appositive function under different initial conditions. The interface of host computer is written by using VC++,interacting with MCU via RS-232 bus,to realize real time display and online control for operational states of appositive lifting control system. Adopting master/slave independent control system makes the systematic performance stable,it provides certain reference value for applications in agricultural machinery,medical treatment,fire protection,furniture,sanitary ware,and leisure areas.

Micro controller unit(MCU); Master-slave machine; Photoelectric sensor; Programmable logic controller; Control system; RS-232

陜西省教育廳專項科研計劃基金資助項目(15JK1864)

趙鵬(1982—)，男，碩士，講師,主要從事數(shù)據(jù)采集與處理方向的研究。E-mail:zhaopeng9500@126.com。

TH86;TP205

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703009

修改稿收到日期：2016-05-06