基于自由摆的平板控制系统研究＊

谷丽娜

（青岛科技大学，山东 青岛 266042）

目前对自由摆的控制应用研究比较广泛，控制电机使平板可以随摆杆的摆动而旋转，并且摆杆在摆动过程中，要求控制平板的状态。基于自由摆的平板控制系统需要实时测量被控平板与水平面的倾角，从而控制执行机构快速修改平板的水平倾角，达到题目要求。本系统采用高速32位嵌入式处理器为系统的主控单元，以ADI公司的加速度传感器ADXL335实现平板倾角测量，以步进电机为执行机构，以PID算法为基本控制理论，实现了基于自由摆的平板控制系统。

1 方案选择与论证

1.1 倾角测量方案选择

方案1：使用重力摆锤和旋转电位器组合的方法测量倾角，此方案在静止的物体上测量比较准确，在运动物体上不易准确测量，所以本系统不采用。

方案2：使用光电编码器测量倾角，此方案需要在转动轴中心处安装光电编码器，对光电编码器输出的A、B两相相位差是90度的方波信号采样、计算，得到摆臂的转动角。此方案可以准确的测得角度，而且实时性也很好，但是由于光电编码器的输出轴不能承受太大的外力，价格较高，机械加工难度较大，本系统不采用。

方案3：使用数字陀螺仪测量倾角，此方案的测量精度和响应时间都不及方案2，而且价格太高，故不予采用。

方案4：采用ADI公司的最新加速度传感器ADXL335测量倾角，此方案可以在静止的物体上准确的测定水平倾角，在运动物体上通过补偿算法也可以准确测定水平倾角，而且可以直接平行的放在被控平板上，机械安装方便，精度高所以采用此方案。

1.2 执行电机的选择

方案1：使用直流伺服电机作为执行电机，此方案需要在直流电机上加装光电编码器作为位置反馈，机械加工比较困难，另需要伺服控制器，自己制作难度太大，故不采用。

方案2：使用交流伺服电机作为执行电机，此方案由于需要交流伺服控制器，成本太高，如自己制作交流伺服控制器，难度太大，故不采用。

方案3：使用步进电机作为执行电机。其运行响应快，直接接受数字脉冲输入，经过细分驱动器可以使电机运行更加平滑，而且驱动器价格低，易于实现，故本系统采用步进电机作为执行电机。

1.3 单片机选型

方案1：使用国内比较通用8051系列单片机。其功能简单，但是运行速度慢，程序存储器和数据存储器有限，不适合彩色触摸屏等应用，故不采用。

方案2：使用16位处理器的8086单片机。其运行速度较快，外设丰富，但是程序存储器和数据存储器有限，输入输出端口驱动能力有限，调试环境复杂，故不采用。

方案3：使用Cotex-M3内核的STM32系列单片机。其运行速度快，接口及外设丰富，存储器空间大，适合彩色触摸屏等应用，故本系统采用STM32处理器为主控CPU。

1.4 系统方案及系统结构

自由摆摆动过程中，末端平板的角度变化先由传感器检测后转变为电压信号，由单片机ARM经给定的控制算法计算出末端平板角度变化量后，发出一定数目的脉冲，经驱动放大后控制步进电机的转动，步进电机带动平板转动快速恢复平衡位置。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统框图

图2 ADXL335的坐标系

2 系统设计与实现

2.1 基于ADXL335的平板倾角测量电路设计

本系统采用美国模拟器件公司最新推出的加速度传感器ADXL335。该款传感器可以测量三轴加速度，其量程可选，针对倾角测量选择-1.5g到1 5g量程。信号输出为电压信号，在1 5g量程下，信号灵敏度为300mv／g。在倾角测量时，加速度的测量范围为-6g到6g，对应的电压范围为0.85V到2.45V。ADXL335的坐标系如图2所示，加速度传感器与主控制器之间的接口电路如图3所示。

图3 加速度传感器与主控制器之间的接口电路

2.2 系统软件设计

系统软件主要由被控平板倾角采集子程序、PID调节子程序、用户操作界面子程序组成。在此仅列出系统软件流程图，见图4。

图4 系统软件流程

3 测试数据及测试结果

本系统使用转速表检测步进电机的转速，用以确定调整的启动速率；使用量角器和摄像机，观察自由摆臂的转角，用以检测倾角传感器的准确性。测试仪器见表1，测试数据见表2、表3。

表1 测试仪器

表2 自由摆臂旋转不同周数，平板旋转的偏差绝对值实测数据

表3 不同初始角度光斑偏离中心线距离

4 结束语

本系统以高速32处理器的片上A／D转换器采集平板的X、Y、Z三轴加速度，经计算得到倾角，并以此倾角数据为PID调节的依据，通过步进电机实时调节平板的倾角，从而完成题目要求。本系统采用彩色液晶触摸屏作为系统的操作面板，可是显示倾角、速度等信息，也可以作为操作按键使用，简单、清楚、方便。

[1]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]黄智伟.全国大学生电子设计大赛培训教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.