電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置，通過安裝在擺桿上的角度傳感器SCA100實(shí)時(shí)測(cè)量擺桿角度，單片機(jī)將測(cè)量角度與給定角度比較通過PID算法計(jì)算出控制量來調(diào)節(jié)輸出PWM波的占空比，經(jīng)過L298N驅(qū)動(dòng)電路后實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵線圈電流控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)電磁力的大小完成對(duì)設(shè)定的擺桿擺角與周期的控制。裝置能夠?qū)崟r(shí)顯示擺角、預(yù)置擺角、測(cè)量周期、預(yù)置周期。

關(guān)鍵詞：電磁控制；SCA100；脈寬調(diào)制；擺角；周期

中圖分類號(hào)： TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）16-3937-04

Abstract： Designing a electromagnetic control moving device. Sensor SCA100 on pole detects swing-pole angle in real time. MCU compares measured angle and set angle， then adjusts duty cycle of the PWM by PID algorithm， the PWM pulse controls current of electromagnet coil by L298N drive circuit， adjusting electromagnetic force to control swing-poles angel and period required. This device functions includes displaying swing-angle， set angle， detect period， set period of swing.

Key words： Electromagnetic control； SCA100； Pulse width modulation； Swing angle； period

設(shè)計(jì)一個(gè)電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置，該裝置由電磁控制裝置、擺桿等部分構(gòu)成。要求按下啟動(dòng)按鈕，由靜止點(diǎn)開始，控制擺桿擺動(dòng)；由靜止點(diǎn)開始，控制擺桿在指定的擺角10°～45°范圍內(nèi)連續(xù)擺動(dòng)，擺動(dòng)擺角絕對(duì)誤差≤5°；由靜止點(diǎn)開始，按指定周期0.5s～2s范圍內(nèi)控制擺桿連續(xù)擺動(dòng)，擺動(dòng)周期絕對(duì)誤差值≤0.2s，響應(yīng)時(shí)間≤15s。在擺桿連續(xù)擺動(dòng)的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩(wěn)地停在靜止點(diǎn)上，停止時(shí)間≤10s。如圖1所示。

1 擺桿控制原理

擺桿在不受外力的情況下，由于重力作用垂直向下，所以擺桿處于靜止點(diǎn)。當(dāng)擺桿上固定的磁鐵受到下方電磁鐵互斥電磁力作用時(shí)，使擺桿擺動(dòng)，擺桿經(jīng)過靜止點(diǎn)后控制電磁鐵電流和方向產(chǎn)生一個(gè)大小可控的電磁力，使擺桿在靜止點(diǎn)兩側(cè)做連續(xù)擺動(dòng)，通過角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)擺桿擺角，不斷改變電磁鐵線圈電流的大小，控制擺桿角度。通過擺桿上方的量角器可觀測(cè)出擺桿擺角。

角度測(cè)量使用了VTI公司生產(chǎn)的硅基加速度傳感器SCA100T-D02[1]，其主要性能指標(biāo)：雙軸向傾角測(cè)量；測(cè)量靈敏度1.2V/g；+5V單電源供電，兩個(gè)比例電壓輸出，內(nèi)置11位AD轉(zhuǎn)換器；兼容SPI的數(shù)字輸出；該傳感器的每個(gè)軸可以檢測(cè)0～90°度之間的傾角。元件如圖2。

2 電磁鐵電流控制的分析與計(jì)算

2.1 電磁鐵電流控制

為了控制擺桿擺動(dòng)角度，需要控制電磁鐵的電流大小和方向。系統(tǒng)通過單片機(jī)輸出PWM波控制加在電磁鐵線圈上的電壓[2]。采用定頻調(diào)寬法實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵線圈端電壓控制。定頻調(diào)寬法中高、低電平時(shí)間之和TH+TL=T保持一定，使TL在0～T范圍內(nèi)變化。通過調(diào)節(jié)高電平時(shí)間變長(zhǎng)，低電平時(shí)間變短，產(chǎn)生的PWM脈沖占空比線性增大，使加在電磁鐵上的平均電壓增大，擺桿受到斥力增加擺動(dòng)角度增大，反之則減小，實(shí)現(xiàn)擺桿轉(zhuǎn)角從10°到45°變化。為了更好地穩(wěn)定擺桿擺角與周期采用了PID控制算法實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)擺桿角度穩(wěn)定控制。

2.2 數(shù)字PID控制算法的計(jì)算

反饋[e]代表給定值角度與實(shí)際角度的偏差，這個(gè)偏差值被送到控制器，控制器算出偏差差信號(hào)的比例值、積分值和微分值，并將它們進(jìn)行線性組合，得到輸出控制量[u]公式（1）。PID控制過程如圖3。

[u（k）=KPΔe（k）+KIΔe（k）+KDΔe（k）+Δe（k-1）] （1）

其中，[KP]、[KI]、[KD]分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。通過對(duì)給定值與實(shí)時(shí)采樣值比較值偏差[e（k）]進(jìn)行PID運(yùn)算得到輸出控制量[u（k）]作為控制量（PWM波的占空比）控制電磁鐵電磁力大小。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體框圖包括主控單元、驅(qū)動(dòng)模塊、電磁控制模塊、擺桿擺角檢測(cè)模塊液晶顯示模塊、電源模塊、鍵盤等電路。系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。

3.2 單片機(jī)控制電路

系統(tǒng)以STC89C52RC為控制主芯片，它是一個(gè)低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，內(nèi)置8k字節(jié)可反復(fù)擦寫的Flash ROM和256 B RAM，適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合[3]。

3.3 LCD顯示及鍵盤電路

3.3.1 LCD顯示電路

選用LCM12864ZK為控制器的液晶顯示屏，分辨率為128×64，可顯示8×4行漢字，以構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。LCM12864ZK以串行方式與單片機(jī)通信。這種方式可以大大節(jié)省單片機(jī)的硬件資源，同時(shí)顯示方式是靜態(tài)的可以提高單片機(jī)的執(zhí)行效率[4]。

3.3.2 鍵盤電路

采用4個(gè)獨(dú)立式按鍵 S1、S2、S3、S4構(gòu)成鍵盤接口。其中 S1為啟動(dòng)/停止鍵，進(jìn)行手動(dòng)切換；S2為加一鍵；S3為減一鍵；S4為擺角/周期設(shè)定鍵[4]。

3.4 擺角監(jiān)測(cè)電路

角度傳感器SCA100通過串行方式與單片機(jī)完成角度數(shù)據(jù)傳輸[5-7]，SCK與單片機(jī)p3.0位連接作為串行時(shí)鐘信號(hào)，MOSI和MISO分別于單片機(jī)的P3.1和P3.2連接進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸，電路結(jié)構(gòu)緊湊，占用單片機(jī)資源少，芯片能夠直接把檢測(cè)到的角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入單片機(jī)作為實(shí)時(shí)測(cè)量擺桿角度數(shù)據(jù)。電路如圖5所示。

3.5 電磁控制驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示[8]。該驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成兩路送出PWM波，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。IN1、IN2分別接單片機(jī)p3.3和p3.4引腳，ENA使能信號(hào)接單片機(jī)p3.5，在H3端子接電磁鐵線圈。單片機(jī)控制IN1和IN2極性可以控制輸出電壓極性，通過ENA控制電路輸出PWM波的占空比。這樣就可以對(duì)電磁鐵線圈內(nèi)電流大小和方向進(jìn)行控制。

4 軟件設(shè)計(jì)主流程

主流程圖如圖7所示。

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)電路證明對(duì)設(shè)定的不同擺角和周期數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果符合要求，此外裝置有進(jìn)一步改進(jìn)的空間，可以通過再程序設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性和精度。

參考文獻(xiàn)：

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