金属球滚动平衡控制系统设计

李海铭

摘 要：本文设计的金属球滚动控制系统能使金属球在U型槽内任意位置保持平衡，采用位置传感器检测金属球的在导轨上的实时位置，采用角度传感器检测U型槽导轨的偏角，通过直流减速电机带动偏心摆轮使金属球在U型槽导轨上滚动，并在导轨上的任意位置实现平衡控制要求。

关键词：滚动控制、位置传感器、角度传感器

本文通过位置传感器检测金属球的实时位置，角度传感器检测U型槽导轨的实时角度，通过单片机对电机控制实现小球在U型槽导轨上实现平衡控制。本系统设计，旨在实现一个运动控制模型，对平衡运动控制方法进行研究。

1 系统结构组成

系统结构图如图1所示，金属球在U型槽导轨内，靠控制偏心摆轮运动使U型槽导轨形成倾斜角度，根据倾斜角度的不同，金属球在U型槽导轨做不同的自由运动，并在不同位置实现平衡控制。用来检测金属球位置的位置传感器固定在U型槽导轨上，直流电机带动偏心摆轮做往复运动，导轨的旋转中心固定在角度传感器的转轴上。

2 系统硬件电路组成

系统硬件电路组成包括电源、CPU、位置传感器、角度传感器、键盘、LCD、电机驱动和直流减速电机。

其中单片机采用宏晶科技的STC12C5A60S2系列单片机，利用其自带2路PWM和8路10位A/D的特点，控制电机驱动和采集传感器信号。代码兼容传统8051，编程方便。

位置传感器采用滑线电阻器原理，利用镍铬丝高电阻率低温漂的特点，以及金属球具有导电性，将镍铬电阻丝和金属小球构成类似的滑线电阻器，金属球在不同的位置会把相应位置的镍铬丝短路，使接入电路中的镍铬丝长度发生变化，即电阻发生变化，把电阻的变化转变成电压的变化进行测量便可以得到金属球的运动位置，利用单片机的自带A/D进行电压测量。

电机驱动采用的是L298N双路直流电机驱动模块，L298N为SGS-THOMSON Microelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（Dual Full-Bridge Driver ），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge？的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准？TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电壓；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，能同时利用2路PWM驱动两个直流电机。为了正反转控制的平滑性，采用直流减速电机，同时可以保证足够的扭矩输出。

LCD采用12864液晶屏，液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。利用12864显示金属球的实时位置和采集回来的传感器数据。

3 系统控制分析

金属球和金属丝接触处短路，由电阻计算公式可知，在选定镍铬丝作为检测滑动电阻后，当镍铬丝的直径确定为0.2mm时，其横截面积S为固定常数，电阻率也为一个确定的常数，所以镍铬丝的阻值随单位长度L的变化而变化。将镍铬丝铺设到U型槽导轨内部，因小球在导轨内的两根镍铬丝上滚动（小球的阻值固定）所以当小球运动位置不同（即镍铬丝的长短变化不同），其对应的电阻值也不同，由此便可以测得小球在导轨上的位置。

电阻量不便于测量，因此将电阻转变成电压通过单片机自带A/D进行采集，同时角度传感器输出也为电压值，需要用A/D采集，结合两个传感器数据控制单片机PWM输出，从而控制电机驱动L298N带动直流减速电机，采用逐次逼近的方法使小球逐渐靠近控制位置，根据金属球实时位置和设定值之间的差值确定输出PWM数值，根据角度传感器检测的偏角决定电机的旋转方向。将角度传感器和位置传感器的数值实时显示到LCD上，便于实时观察和系统调试。

4 系统程序设计及调试

开始阶段包含初始化程序和延时子程序，然后通过按键设定要控制平衡的位置，再通过传感器检测位置，根据设定位置和检测位置的差值控制电机，角度传感器用来控制调节的方向，将实时位置和角度显示到12864液晶上，实时检测位置和角度通过电机控制知道达到设定位置，达到设定位置之后控制电机停转保持。

为准确的控制金属球，使之在U型槽导轨上保持平衡，要准确的采集导轨上相应位置对应的传感器数据，由于传感器将电阻变化等效成电压变化作为输出，因此采集的电压值即位置值。

间隔1cm选取40个测试点，对电压进行采集，共采集3组数据，在测试过程中应注意保证金属球和镍铬丝紧密接触，以免在测试过程中丢失数据。通过数据可以观察出测量值比较稳定，在以1cm为间距的测试过程中能够有效的得到位置数据。根据金属球的实时位置和设置值的差值进行比较，从而决定PWM的输出数据。

5 总结

本设计可实现金属球在U型槽上的不同位置的平衡控制，控制过程需要掌握角度传感器和位置传感器的工作原理，以及直流电机的控制方法。作为一个简单的运动控制模型，可以用来学习控制算法的应用、传感器应用、LCD显示和电机控制等知识。

参考文献：

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[2] 陶永华等编著.新型PID控制及其应用[M].机械工业出版社，1998.

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