基于ARMCORTEX_M3的自由摆平衡控制系统

张友方，蒋 一，王 锐，曹 燕

陆军军官学院，安徽合肥 230031

0 引言

系统要求设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，要求控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转，摆杆在300～450之间自由摆动过程中，要求平板上的一到八枚硬币在5个摆动周期中不滑落，并保持叠放状态。发挥部分则要求在平板上固定的激光笔在摆杆自由摆动过程中使光斑始终照射在靶纸的某一条线上。

该控制系统是一个动态自平衡测试系统，主要由三部分构成：1）摆架系统：支架，摆杆，底座，和位于摆杆底部固定在电机上的平板；2）驱动控制系统：控制器通过对传感器输出信号的分析发出控制信号，经功率放大后控制电机的转动，带动平板尽快恢复平衡状态；3）检测系统：通过传感器检测出平板的角度变化，通过串口送给控制器。

1 系统设计方案

1.1 自由摆控制系统的原理与组成

自由摆运动可以近似认为是一种规律性的简谐振动，在一个周期内分为变加速(T1)—变减速(T2)——反向变加速(T3)—反向变减速(T4)四个运动过程。T1（T2）和T3（T4）运动规律对称，T1(T3)和T2(T4)运动规律对称，因此可以仅对四分之一周期进行分析。我们采用微分中“以直代曲”的思想，在Δt时间内可以近似认为是在Δl的直线(弧度）上做匀加速运动，采用Δt时间内加速度的平均值作为该段的加速度，求取各个细分段点的线速度值，与采用能量守恒的方式求得的各个细分段点的线速度值比较，通过数据分析，当摆杆最大角度为45°，小段时间内转动最小角度时，该近似计算和根据能量转换计算出的最大速度误差控制在以内，因此，在一个周期内可以通过这种近似计算，分析平板在某一位置的状态值。

1.2 方案设计

考虑到电机带动平板运动和自由摆的运动相互独立，可以通过倾角传感器的实时反馈得出任意时刻平板相对于地面的角度，直接将其值发送至单片机，从而控制步进电机转动相应角度而重新回到水平。

1）摆架框架的选择

方案一：采用木板做摆杆，材料方便，制作简单，但木板孔的摩擦力较大，不利于摆杆做简谐振动，硬度大，易损坏，不易搬运。

方案二：采用铁板做摆杆，相对于木板来说，铁板在摆动过程受空气阻力的

影响较小，从而能够较好的保持在一个平面内，不会产生前后晃动的现象，为更好保持稳定，减少系统本身可能导致的误差，本设计采用铁板作摆杆。

2）传感器的选择

方案一：采用两轴倾角传感器，只能够检测出水平和横向倾角，刷新率低，输出信息量少，不能提供摆杆角速度和角加速度的变化，无法提供平板的运动姿态信息，步进电机不能实时追随平板的变化。

方案二：采用AHRS系列传感器，它体积小，精度高，3个陀螺仪、3个加速度计与3个磁场计。可以实时测量轴向的角速度，加速度和磁场强度。通过内部微处理器的处理，输出无漂移姿态和航信息，以及较核过的三维加速度、三维角速度、三维地磁场。

考虑到题目只需测出白板的水平倾角，同时要有较快的响应速度和高采样速率，同时传感器要安装方便，采用方案二。

2 硬件设计

2.1 主控模块

主控模块包括微处理器及周边电路，微处理器采用STM32F103VB单片机，STM32F103VB是意法半导体(ST)公司推出的基于ARM32位CORTEX2M3CPU，是目前性能比较突出的微处理器之一，丰富的内置功能模块可大大简化周边电路设计，同时也提高了系统本身的抗干扰能力。

2.2 步进电机驱动系统

本系统采用四线两相混合式57BYG系列步进电机，步进角为1.8。选用A3987集成芯片做驱动芯片，A3987 是一款完全的微步电动机驱动器，带有内置转换器，易于操作。该产品可在完整、1/2、1/4 及 1/16 步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动容量为 50V及 1.5A。为保证电机能够实时跟踪角度传感器的变化量，避免因电机的抖动使硬币滑落，本系统采用1/16细分模式，使步进电机步进角变为0.1125°。驱动板见图1。

图1 步进电机驱动板

图2 倾角传感器

2.3 数据采集部分

传感器采用的是FY-AHRS-1200B。如图2所示，它是一款高性能的捷联惯导系统，可以在3D空间中测量任何机车和载体的姿态角和方位角，对于静止或带角速度的任何运动物体可以进行高精度的姿态定位，内置传感器自动校正功能，能对传感器的温飘、噪声、外部干扰自动补偿校正。

3 软件设计

系统采用模块化设计思想，单片机软件设计主要包括主程序、初始化程序、数据采集程序和步进电机控制子程序等。

4 结论

本文以控制理论的知识为基础，利用角度传感器配合单片机完成了对步进电机的实时控制，同时对测控系统的原理和组成做了详细的分析，确定了设计方案，以意法半导体新推出的32位微控制器STM32F103VB处理器芯片为核心，完成了各硬件模块的功能，还完成相关的分析计算和应用程序的设计。较好的实现了对自由摆上平板的平衡控制。

[1]周航慈.单片机应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社，2006.

[2]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训教程[M].模拟电子线路设计，2007.

[3]全国大学生电子设计竞赛组委会编《全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编》[M].北京理工大学出版社，2006.