(常州大學 機械工程學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

電梯平衡鏈是用來平衡電梯轎廂和配重側兩端重量差的，從而達到電梯平穩(wěn)運行的目的[1]。由于電梯補償鏈表面包裹了一層PVC復合材料，不能直接利用普通電焊錨鏈的長度計算公式將長度算出來?，F(xiàn)有的測長機構是類似于線纜計米器之類的裝置，不適用于平衡鏈這種鏈環(huán)與鏈環(huán)之間凹凸不平的設備，測量誤差偏大[2]。為提高測量精度，本文設計了一種以STM32F103RCT6為主控制單元，以觸摸屏為上位機，并基于模糊控制算法的自動測長控制系統(tǒng)，大大提高測量效率的同時，減小了測量誤差。該方案設計可以給企業(yè)帶來巨大的經濟效益。

1 測長原理分析

整個測長設備如圖1所示：主要包括壓緊機構，牽引機構以及測長機構三個部分組成。壓緊機構包括2個大壓緊輪和三個小壓緊輪，通過氣缸下降給鏈條足夠的壓力。。牽引機拉動鏈條，通過摩擦力帶動下同步帶運動，由于鏈環(huán)與鏈環(huán)之間凹凸不平，摩擦力會產生波動，這時會發(fā)生打滑或者卡死的情況。當摩擦力變小時，滑塊會沿著導軌向前運動，前直線位移傳感器會檢測到電壓信號，反饋給單片機，增大電機轉速，使滑塊回到原來位置。同理，當摩擦力變大時，滑塊會向后移動，后位移傳感器會有電壓信號，反饋給單片機，減小電機轉速。這就可以進行自動補償由于摩擦力波動而產生的測量誤差。通過伺服電機驅動主計量輪，讀取編碼器旋轉角度，即可測得鏈條長度。

1.鏈條；2.大壓緊輪；3.小壓緊輪；4.活動塊；5.上同步帶；6.光軸；7.氣壓缸；8.伺服電機；9.三相牽引機；10.線性位移傳感;11.主計量輪；12.編碼器；13.下同步帶；14.滑塊；15.直線導軌；16.從動輪圖1 測長機構示意圖

2 硬件設計

2.1 總體硬件設計

控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。包括單片機最小系統(tǒng)電路，傳感器信號接受電路，伺服驅動電路，編碼器信號接收電路，氣壓缸驅動電路，以及觸摸屏與單片機通信電路等。

圖2 控制系統(tǒng)硬件原理圖

主控制器為基于Cortex-M3 為核心的STM32F103RCT6,主頻最高可以達到72 MHz[3]，片內存儲空間為256 Kb。單片機最小系統(tǒng)包括：電源，晶振以及復位三個模塊?？刂瓢逋獠拷尤胼斎腚娫?2 V給電磁閥通電來控制氣缸伸縮運動，從而進行壓緊或抬起壓緊機構。同時通過降壓芯片7805以及l(fā)m1117-3.3來輸出3.3 V電壓給單片機供電。為節(jié)約 I /O 端口資源，下載方式采用SWD模式，在高速模式下比JTAG模式更加可靠。觸摸屏通過MAX3232和STM32F103RCT6的串口1即 PA9，PA10兩引腳相連，用來控制整個測量設備的運動以及進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。因為位移傳感器的輸出電壓范圍為0～10 V,所以需要進行降壓，通過電阻分壓的方式得到0～3.3 V的電壓。當滑塊靠近外移傳感器時，輸出電壓會減小，遠離時輸出電壓會增大。STM32自帶的ADC功能會讀取電壓值，進行判定。為了防止輸入輸出信號干擾，每個端口輸出都采用了光耦隔離的方式。光耦是以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端，實現(xiàn)電-光-電的轉換，輸入輸出完全絕緣，抗干擾能力強，效率高。

2.2 伺服驅動器控制電路設計

該方案驅動器型號為安川SGDV-5R5A01A系列，有位置、速度和轉矩三種控制方式[4]。位置方式是通過數(shù)字量方式控制，而速度和轉矩方式通過模擬電壓控制。為了獲得良好的控制性能,伺服控制器一般會設計成一個具有電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三閉環(huán)回路的復合控制系統(tǒng)[5]。本設計方案采用速度方式，可以把位置環(huán)移動到控制器上，減少驅動器工作量，提高效率。通過TIM4通道一調節(jié)占空比，經過光耦TLP350轉換后驅動場效應管,根據(jù)占空比大小來改變MOS管導通時間，從而實現(xiàn)電源輸出的改變。圖中電感起到濾波和儲能的作用，二極管起到穩(wěn)壓的作用。二極管反接可以防止電流電壓的突變，起到保護場效應管的作用。具體電路圖如圖3所示。這樣可以得到0～12 V的模擬電壓，符合伺服驅動器輸入電壓范圍要求。將V-REF端子與伺服驅動器CN1的針號5相連，針號6接地即可實現(xiàn)電機的旋轉。

圖3 調壓電路原理圖

2.3 編碼器信號電路設計

光電編碼器主要有兩種：絕對型和增量型。增量型編碼器在旋轉過程中每轉過單位角度就會發(fā)出一個脈沖信號，并且A、B相位相差正負90°，根據(jù)信號先后判斷電機是正轉還是反轉。本設計所用編碼器為增量型E6B2-CWZ6C,NPN集電極輸出，每轉一圈發(fā)送2 000個脈沖。如圖4所示:將A、B相信號經過光耦HCPL2630隔離后分別接入STM32的TIM3通道一和通道二。STM32的通用定時器三自帶編碼器計數(shù)模式，編碼器輸入信號TI1,TI2經過輸入濾波，邊沿檢測產生TI1FP1，TI2FP2接到編碼器模塊，將他們都設置成上升捕獲模式，并在中斷中讀取，便可進行計數(shù)。

圖4 編碼器信號接收原理圖

2.4 通訊電路設計

單片機與觸摸屏通訊接口電路如圖5所示。因為單片機的輸出電平和RS-232不一樣，因此需要芯片進行電平轉換。相比于傳統(tǒng)的MAX232，選擇了功耗更小的MAX3232芯片，該芯片采用專有低壓差發(fā)送器輸出級，能夠實現(xiàn)真正的RS-232性能，外接4個0.1 μF的電容用于倍壓和儲能。將開發(fā)板DB9公頭和觸摸屏RS232公頭的2 、3口交叉連接，5直連，便可實現(xiàn)通訊功能。

圖5 通訊接口電路

3 模糊控制系統(tǒng)設計

由于交流伺服系統(tǒng)存在參數(shù)時變、負載擾動以及伺服電動機自身和被控對象的嚴重非線性、強耦合性等不確定因素，難以用傳統(tǒng)的基于對象的模型控制方法來進行控制[6]。模糊控制以不依賴于被控對象的數(shù)學模型而被廣泛的應用于工業(yè)生產中，具有較強的魯棒性。它是一種基于語言規(guī)則與模糊推理建立在模糊集合上的控制理論[7]。將其用于伺服系統(tǒng)中可以很好的解決非線性、時變、耦合等等問題。因此設計了一個基于模糊控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)。包括模糊控制器的設計以及想關規(guī)則的制定。

3.1 模糊控制器設計

模糊控制器的設計包括模糊化、建立模糊規(guī)則、清晰化等步驟。為此設計了一個雙輸入、單輸出的二維模糊控制器，模糊控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 模糊控制器系統(tǒng)框圖

模糊化：將精確的輸入變量轉化為模糊矢量。

模糊推理：包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，提供數(shù)據(jù)，制定模糊規(guī)則并輸出模糊量。

解模糊：將模糊量經過運算后再次轉變成精確量用于控制被控對象。

以位移誤差e和誤差的變化率△e作為輸入，以控制伺服電機轉速大小的模擬電壓u為輸出變量,語言變量對應為E、EC、以及U,用“正大”(PB)“正中”(PM),“正小”(PS),“零”(O),“負小”(NS)，“負中”(NM),“負大”(NB)七個語言變量來對這幾個變量進行描述。

E選取7個語言值：{PB,PM,PS,O,NS,NM,NB};EC選取5個語言值：{PB,PS,O,NS,NB};U選取7個語言值：{PB,PM,PS,O,NS,NM,NB};根據(jù)經驗和反復試驗選擇輸入變量與輸出變量的論域如下：

E的論域X={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

EC的論域Y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

U的論域Z={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

系統(tǒng)采用靈敏度強的三角形隸屬度函數(shù)來描述語言變量論域上的模糊子集。借助MATLAB/SIMULINK中的模糊邏輯工具箱，得到如圖7所示的輸出隸屬度函數(shù)圖像。

圖7 輸出U的隸屬度函數(shù)圖像

3.2 模糊控制規(guī)則表建立

模糊控制規(guī)則是模糊控制器設計的核心[8],在模糊邏輯工具箱中進行模糊控制規(guī)則的設計[9]，系統(tǒng)所建立的是雙輸入單輸出的模糊控制器，采用的模糊條件語句為：

if E and EC then U

在大量實驗和調節(jié)之后，制定了35條模糊控制語句，并將其繪制成了表格。

建立的模糊控制規(guī)則表1所示。

表1 系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表

3.3 解模糊方案設計

根據(jù)模糊規(guī)則表推理求出的是輸出控制量的模糊控制集合，不能直接用來控制伺服驅動器，需要將模糊量轉化為精確量。根據(jù)隸屬度函數(shù)特性，采用加權平均法進行解模糊，其公式為：

(1)

式中,Z0為應用加權平均法求得的判決結果，也稱為清晰值；Zi為輸出量模糊集U1中的元素；μU1(zi)為輸出量模糊集U1中各元素的隸屬度函數(shù)。

在MATLAB的模糊邏輯工具箱中，對模糊推理過程進行了圖形化處理，從中可以清晰得看出各模糊變量隸屬度函數(shù)對系統(tǒng)輸出量的影響。同時規(guī)則觀測器可以針對系統(tǒng)輸入量X和Y的不同組合計算出全部系統(tǒng)輸出的精確量Z，如圖8所示。最終建立本系統(tǒng)的模糊控制查詢表，如表2所示。

表2 模糊控制查詢表

最后將模糊控制查詢表存放于單片機寄存器中。通過程序編寫，使得控制器根據(jù)輸入的偏差和偏差變化率信號，由查詢表自行計算出實際的輸出控制量即輸出電壓大小。

4 軟件設計

系統(tǒng)程序采用模塊化設計，包括主程序，傳感器電壓采集子程序，電機驅動子程序，編碼器計數(shù)子程序，以及基于MODBUS的觸摸屏與單片機通訊程序等。具體的控制流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

4.1 電壓采集程序設計

導軌前后各固定一個直線位移傳感器，通過STM32 ADC1的通道10和11分別讀取經分壓后的電壓，并經過DMA傳輸，減少CPU負荷的同時增加采集速度。傳感器的電壓顯示值和距離成線性關系。為了數(shù)據(jù)的準確性，每組讀取100個數(shù)據(jù)放入數(shù)組中，并取平均值來作為速度調節(jié)的依據(jù)。DMA的主要配置如下：將DMA1通道1的外設基地址設為(uint32_t)(&(ADC1->DR))，內存基地址設置成(u32)&ADC1_ConvertedValue，并開啟循環(huán)模式和中斷。ADC設置成連續(xù)轉換，右對齊，通道個數(shù)兩個，并使用軟件觸發(fā)的模式。STM32的ADC分辨率為12位，可以求得模數(shù)轉換值的取值范圍為0-4096，電壓量程為0～3.3 V，則傳感器的讀取電壓值為模數(shù)轉換值除以4096乘上3.3即:

(2)

具體程序流程圖如圖9所示。

圖9 傳感器電壓讀取流程圖

4.2 PWM調壓程序設計

因摩擦力不斷波動，因此要對伺服電機的速度實時調節(jié)，采取速度控制方式，伺服驅動的速度控制方式為模擬電壓控制，采用PWM方式可以實現(xiàn)數(shù)字量對模擬電路的控制。根據(jù)電壓采集數(shù)據(jù)集合模糊控制器的規(guī)則自動調節(jié)占空比，將自動重裝載器值設置為249，定時器預分頻設置為11，可以得到24 kHz的PWM波。輸出比較方式設置成PWM2模式，向下計數(shù)模式。根據(jù)不同占空比可以獲得不同電壓值來驅動伺服驅動器，繼而可以實時調節(jié)伺服電機的轉速來自動補償測量誤差。查閱安川電機手冊可以發(fā)現(xiàn)速度控制模式下額定電壓為6 V，額定轉速為2000 r/min,則電機瞬時速如下：

(3)

式中，VREF為伺服驅動電壓，單位V, Vm為電機轉速，單位r/min。

4.3 編碼器計數(shù)程序設計

STM32F103通用定時器自帶編碼器模式，編碼器輸入信號TI1,TI2經過輸入濾波，邊沿檢測產生TI1FP1，TI2FP2接到編碼器模塊，通過配置編碼器的工作模式，即可以對編碼器進行正向/反向計數(shù)。因TIM3_CNT計數(shù)器是16位的，最高計數(shù)為65535，而編碼器旋轉一圈的脈沖數(shù)為2000，旋轉圈數(shù)過多時會溢出。故將自動重裝載值ARR設置為2000，并使能中斷進行溢出中斷計數(shù)，用j表示溢出的次數(shù)，每旋轉一圈，j的值加1，計數(shù)器重新計數(shù)。最后獲得的總脈沖數(shù)為2000j加上寄存器TIM3->CCR1的值，用S表示。則測量的長度L為：

(4)

式中,d為同步帶外徑，m。

4.4 通訊程序設計

威綸通MT6103iq觸摸屏和STM32之間采用基于MODBUS協(xié)議的RTU模式進行數(shù)據(jù)傳輸。觸摸屏為主設備，STM32為從設備[10]。使用循環(huán)冗余校驗碼CRC16進行校驗。常用的MODBUS功能碼包括01：讀開關量狀態(tài)，03：讀保持型寄存器，06：寫寄存器。通信過程包括串口配置，報文接發(fā)，報文處理三個方面。串口參數(shù)配置如下：波特率9600，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無奇偶校驗位。在進行基礎的串口配置之后，還需要開啟串口中斷，在中斷服務函數(shù)中對接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)進行檢測和處理。報文通過8位字符數(shù)組進行接發(fā)，再根據(jù)功能碼進行數(shù)據(jù)處理。

5 實驗結果分析

實驗購買的鏈條為包塑性補償鏈，截取20.1米長度來進行試驗。將是否運用模糊控制算法將實驗分成兩組，在不同速度下分別進行20次實驗。實驗測量結果如表3～4所示。

表3 沒有設計模糊控制器下的各速度測量值

表4 模糊控制下的各速度測量值

由以上兩表可以看出，當沒有設計模糊控制器的情況下，測量誤差較大，且速度越大，誤差越大，而在設計模糊控制器后誤差明顯減小，且在基本運行速度達到0.6 m/s時誤差達到最小值。

6 結束語

控制系統(tǒng)解決了因摩擦力波動而造成測量誤差的問題，以STM32為主控制器，線性位移傳感器為探測器，配合模糊控制算法，實時調節(jié)伺服電機轉速。系統(tǒng)高效穩(wěn)定，測量基本速度達到0.6 m/s。經大量實驗后測得平均誤差為0.09%，符合預期值。