基于ARM的钢珠抛射装置设计＊

范振，雷思敏，于锦涛，温如春，韩树人



基于ARM的钢珠抛射装置设计＊

范振，雷思敏，于锦涛，温如春，韩树人

（江西理工大学 电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000）

传统的抛射装置中，通常利用燃料产生的空气压力，推动发射管内物体运动。其发射路线具有较大的不确定性，无法实现对抛射距离的精确控制。钢球抛射装置基于ARM芯片STM32F407ZGT6，配合松下A5伺服驱动器及电机，通过反馈电机转动产生的Z相脉冲构成一个闭环伺服系统，可以实现伺服电机转动角度及转速的精确控制。基于MATLAB建立钢珠运动数学模型，使用HMI触摸串口屏设定抛射距离，抛射装置能够精准地抛射钢珠至设定距离，并且最远抛射距离极大。

ARM；闭环伺服系统；MATLAB；钢珠运动数学模型

传统技术中，大炮等抛射装置都是将抛筒内的物体直接发射出去，发射路线呈抛物线，难以精准控制其抛射距离和抛射角度。本设计以ARM芯片为控制核心，构造了一个可以实现精准抛射的闭环伺服系统。

1 系统需求分析

钢球抛射装置需要在一定范围内精确抛射。从结构上看，钢球抛射装置由圆管、电机、控制电路等构成。使用联轴器连接圆管与电机，将钢珠置于圆管内的插销上，电机将圆管从一个角度迅速向下旋转至另一个角度，从而将钢珠从圆管内抛出，如图1所示。

图1 钢珠抛射示意图

从原理上看，钢珠未抛射前在管中由于离心力的作用沿管壁上升，当圆管突然停止或钢珠与圆管自然分离后，钢珠飞出。在圆管装入钢球后，如果圆管首先向后低速旋转，到零度位置然后高速向前运动，越过90°，到135°（坐标第二相限的45°角度）附近紧急刹车，钢球就会被抛射出去（圆管长度应该与旋转速度、钢球在圆管内部直线运动距离相匹配）。钢珠抛射距离由钢珠质量、钢珠在圆管内的起始位置、圆管的起始角与停止角以及圆管的旋转速度等参数决定，通过建立“钢球抛射距离-抛射角度-抛射速度”数学模型控制这些参数的值，能够精确地实现对钢球的抛射距离的控制。

2 钢球精准抛射装置的设计

2.1 系统总体设计思路

结合钢珠抛射装置的控制需求，可以采用STM32芯片作为控制器，松下交流伺服电机作为执行机构，进行钢珠抛射装置系统设计。STM32F407ZGT6芯片是基于高性能的 ARM®Cortex™-M4 的32位RISC内核处理器，芯片主频高达168 MHz，拥有I2C、SPI、PWM等总线接口，该芯片具有体积小、性能强、便携性高的特点，能够用于实现各种设备的控制。其中，STM32需要通过松下A5伺服驱动器间接控制电机。A5驱动器驱动松下交流伺服电机，响应频率为2.0 kHz，1圈104万脉冲，基本实现瞬间启动与停止；可以实现高分辨率操作与高速操作，且惯量小，适用于高速大力矩工作状态。额定功率为400 W，额定转速为3 000 r/min，可有效提高抛射装置的可控抛射范围。

用户通过HMI触摸串口屏设定抛射距离，通过串口通讯传送给STM32，STM32根据所建立“钢球抛射距离-抛射角度-抛射速度”数学模型计算电机抛射角度与抛射速度，然后发出对应的PWM信号波。

由于A5驱动器需要12 V直流电源供电，而STM32最多提供5 V电压，因此，通过一个光耦放大电路实现小电压控制大电压，且保护电路。STM32使用X4接口控制A5驱动器，A5驱动器自身能够设定丰富参数，自身参数设定和STM32的PWM等指令结合起来，使用XB和X6编码器连接并控制伺服电机，如图2所示。

图2 总体设计图

2.2 系统硬件设计

为了减少系统建立运动控制模型的复杂度，选择直径为8 mm质量为20.6 g的实心钢球，15 cm长的轻质铝合金圆管，并在圆管内距联轴器5 cm处放置插销，圆管以与地面成10°作为初始抛射角度。

2.2.1 光耦放大电路设计

STM32F407输出高电平为3.3～5 V，而A5驱动器有效电压为12 V左右直流电压。STM32发出的低压（5 V）PWM信号波通过PC817光耦电路发出互补波形的高压（12 V）PWM信号波，进而控制A5驱动器。PC817光耦芯片上下级电路完全隔离，截止频率为80 kHz，cemax=35 V，bemax=6 V，总功耗200 mW，是抛射装置理想的具有低功耗高频率特性的光耦芯片。

2.2.2 Z相捕获电路设计

伺服电机内的测量转速专用编码器对分频处理后的编码器信号（A相、B相、Z相）用各自的长线驱动器差动输出。电机每旋转一周，输出一个Z相脉冲。使用AM26LS32芯片检测并放大Z相脉冲，未达参考角度时，AM26LS32输出保持低电平，当转至参考角度时输出出现高电平脉冲，且转速越快脉冲占空比越小。

设置STM32最高优先级中断捕捉该Z相脉冲出现角度作为参考角度（定值），根据用户设定的角度差值（定值）确定抛射初始角度（定值）。并且当电机每次正转至停止角抛射钢珠之后，可精准反转至初始角，从而保证了每次抛射角度的精度。

2.2.3 ARM与A5驱动器及伺服电机的连接

A5驱动器是ARM控制伺服电机的“中转站”，ARM芯片通过光耦电路连接至X4接口控制A5驱动器，A5驱动器通过XB和X6编码器连接到伺服电机。用户使用keil5软件对STM32烧录程序，ARM通过X4接口直接控制A5驱动器，驱动器使用编器与伺服电机通讯，电机频率为500 kHz时，最高转速为2 000 r/min。

2.2.4 系统供电模块设计

系统供电包含三部分，即220 V交流电输入、5 V直流电输入和24 V直流电输入。220 V交流电经过断路保护器和继电器组成的电源保护电路后，连接至24 V开关电源以及A5驱动器XA接口作为供电。A5驱动器直接给伺服电机供电，24 V开关电源产生5 V和12 V直流电压分别给STM32以及光耦电路受控端供电。

3 软件设计

系统的软件设计主要是HMI触摸串口屏设计和系统主程序设计。使用USART软件设计HMI触摸屏界面，向装置输入抛射距离。系统主程序设计分为钢球运动数学模型建立和控制程序设计。控制程序采用模块化设计，包括转速控制程序设计、转角控制程序设计、Z相捕捉程序设计等模块。

3.1 钢球运动数学模型的建立

钢珠抛射距离由钢珠质量、钢珠在圆管内的起始位置、圆管的起始角与停止角以及圆管的旋转速度等参数决定。由于钢球在此运动过程难以用数学公式精确推导，本文提出使用MATLAB软件中的cftool拟合工具箱进行三元拟合，以此建立“钢球抛射距离-抛射角度-抛射速度”数学模型。

控制电机每次旋转至相同角度，记录在不同转速下钢珠的抛射距离；保持速度不变，记录在不同角度下钢珠的抛射距离；经过大量实验后，得到大量抛射距离-抛射角度-抛射速度的数据；使用MATLAB软件中的cftool拟合工具箱对这些数据进行三元拟合，得到拟合度高达96.5%的抛射距离与抛射角度以及抛射速度函数关系，建立了“钢球抛射距离-抛射角度-抛射速度”数学模型。

3.2 主程序的设计

伺服系统的功能决定于程序的设计和A5驱动器自身设置。对照A5伺服驱动器用户手册将其设置为每转需10 000个脉冲，其他为默认值。脉冲由PWM产生，在程序中改变脉冲数及脉冲频率即可控制电机的转动角度和转动速度。

A5驱动器受12 V的PWM信号波控制，PWM信号波可由定时器中断产生。当触摸屏输入抛射距离并且按下确定按键之后，STM32由钢球运动数学模型计算出抛射该距离电机所需转速及转动角度，进而求解出达到该转速所需PWM信号波参数以及转动该角度定时器所需作用的时间。当钢球抛射完成，圆管因为带负载导致实际抛射角度大于理论抛射角度，但STM32根据所捕捉的Z相脉冲时间在整个抛射周期的比例，精确地求出实际抛射角度，进而配置定时器使圆管精准的返回至初始抛射角度。

4 结束语

本钢球抛射装置选用伺服电机，通过反馈Z相脉冲实现闭环伺服控制，并且使用MATLAB拟合工具箱建立了极高拟合度的钢球运动模型，保证了钢珠抛射的精确性，抛射距离极大。

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范振（1999—），男，研究方向为控制理论与控制工程。

2016江西省教育厅科学技术研究项目（编号：GJJ160652）；2017年国家级大学生创新创业训练计划项目（编号：201710407010）

2095－6835（2019）07－0003－02

TP23

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.003

〔编辑：张思楠〕