一種IPMC傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)*

江 春, 譚永紅

(上海師范大學(xué) 精密機(jī)電系統(tǒng)與控制工程研究室，上海 200235)

0 引 言

離子交換聚合金屬材料(ionic polymer-metal composite,IPMC)是一種新型電致形變高分子材料[1]，也被稱之為人工肌肉。其在電場(chǎng)作用下可呈現(xiàn)伸縮、彎曲等各種響應(yīng)特性；同時(shí)，當(dāng)IPMC受外部力發(fā)生形變時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生一定的電勢(shì)，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。IPMC制動(dòng)特性的研究已逐漸趨于成熟，并實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的應(yīng)用，例如:美國(guó)NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室用IPMC驅(qū)動(dòng)器制造了與自動(dòng)刮雨器相類(lèi)似的除塵刷,用于太空儀器表面除塵[2]；日本Eamex公司開(kāi)發(fā)了IPMC材料驅(qū)動(dòng)的商業(yè)產(chǎn)品人工魚(yú)[3]；日本的名古屋大學(xué)研制了基于IPMC的泳動(dòng)機(jī)器人[4]；以及微小膠囊閥[5]、微小夾持裝置[6]等。而IPMC傳感特性的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，研究相對(duì)較少，因此，IPMC傳感性能的研究將會(huì)是未來(lái)IPMC領(lǐng)域的研究趨勢(shì)。

在對(duì)IPMC厚度方向給一定的變形時(shí)其會(huì)產(chǎn)生一定的電壓，若要研究IPMC傳感性能就得研究輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)中IPMC為長(zhǎng)31 mm、寬6 mm、厚0.5 mm長(zhǎng)條形薄片，給IPMC厚度方向施加什么樣的壓力信號(hào)尤為關(guān)鍵，因此，在研究IPMC傳感特性時(shí)，良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)決定著給IPMC施加激勵(lì)信號(hào)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。本文以STM32單片機(jī)為控制核心[7,8]，搭建起IPMC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的缺點(diǎn)

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由51單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、OP07放大電路、激光位移傳感器以及信號(hào)采集設(shè)備組成，如圖1所示。平臺(tái)底部為步進(jìn)電機(jī)，其工作原理為：聯(lián)動(dòng)裝置通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)結(jié)合，通過(guò)51單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)按某個(gè)角度來(lái)回正反轉(zhuǎn)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在一定角度內(nèi)來(lái)回正反轉(zhuǎn)的同時(shí)，聯(lián)動(dòng)裝置上的夾子將夾住IPMC帶動(dòng)其按照一定的規(guī)律產(chǎn)生形變，激光位移傳感器采集IPMC擺動(dòng)幅度值，通過(guò)示波器來(lái)讀取并顯示IPMC施加的激勵(lì)信號(hào)波形。

圖1 現(xiàn)有的IPMC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

但是由于步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這樣反映在IPMC運(yùn)動(dòng)過(guò)程中就是每次運(yùn)動(dòng)一個(gè)幅度，使得測(cè)量到IPMC輸入信號(hào)不均勻連續(xù)，并且IPMC是在低頻信號(hào)(0.1～2 Hz)的作用下產(chǎn)生的電壓比較明顯[9]，因此，在低頻環(huán)境下，步進(jìn)電機(jī)的缺陷更大。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)固定轉(zhuǎn)角正反轉(zhuǎn)不易產(chǎn)生反映在IPMC運(yùn)動(dòng)軌跡上的正弦信號(hào)，即在IPMC未發(fā)生偏轉(zhuǎn)處速度最大，IPMC將達(dá)到最大角度處步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速趨近于零，亦不便于后期IPMC對(duì)輸入基本的正弦信號(hào)的所產(chǎn)生的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改進(jìn)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將步進(jìn)電機(jī)更換為直流伺服電機(jī)，直流伺服電機(jī)相較于步進(jìn)電機(jī)其控制精度更高，克服了步進(jìn)電機(jī)隨脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)步距角的不連續(xù)性。新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作原理是以STM32為控制核心，并通過(guò)精密電位器測(cè)得角度值做反饋，PID控制直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的IPMC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置選用STM32F103單片機(jī)為控制核心，直流伺服電機(jī)、精密電位器WDD35、以及由LMD18200構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路所組成。STM32F103單片機(jī)產(chǎn)生PWM波經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，精密電位器測(cè)得直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在正最大角度處和負(fù)最大角處給單片機(jī)輸出反向電壓信號(hào)給LMD18200，讓電機(jī)保持在固定角度內(nèi)來(lái)回正反轉(zhuǎn)，整個(gè)過(guò)程為PID控制，同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比可調(diào)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

2.2 主控模塊

主控模塊的STM32單片機(jī)是控制器的核心部分。該單片機(jī)是ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能、低成本和低功耗的增強(qiáng)型單片機(jī)，它的內(nèi)核采用ARM公司最新生產(chǎn)的cortex-M3架構(gòu)，最高工作頻率72 MHz,256 k的程序存儲(chǔ)空間、48k的RAM，8個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2個(gè)看門(mén)狗和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，片上集成通信接口有2個(gè)I2C,3個(gè)SPI,5個(gè)USART,1個(gè)USB,1個(gè)CAN,2個(gè)和1個(gè)SDIO，并集成有3個(gè)ADC和1個(gè)DAC，具有80個(gè)I/O端口。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

LMD18200是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件。峰值輸出電流高達(dá)6 A，連續(xù)輸出電流達(dá)3 A；工作電壓高達(dá)55 V；TTL/CMOS兼容電平的輸入；并具有良好的抗干擾性。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，其內(nèi)部集成了4個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋。通過(guò)充電泵電路為上橋臂的2個(gè)開(kāi)關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個(gè)300 kHz左右的工作頻率。

2.4 放大電路

采用低噪聲、高精度的儀表放大器INA103進(jìn)行放大器的設(shè)計(jì)制作來(lái)代替原有IPMC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)當(dāng)中的由OP07芯片構(gòu)成的放大電路。它具有非常寬的頻帶寬度和優(yōu)越的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并且INA103芯片具有超低噪聲和失真小的特點(diǎn),使得噪聲大大降低。

2.5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)把直流電機(jī)閉環(huán)控制所需的程序編譯沒(méi)有錯(cuò)誤,利用Keil 4編譯環(huán)境把程序通過(guò)J-LINK下載到STM32單片機(jī)。閉合直流電機(jī)閉環(huán)控制模塊的電源開(kāi)關(guān),電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),STM32單片機(jī)隔50 ms采集精密電位器WDD35角度值,增量式PID運(yùn)算,調(diào)節(jié)PWM波的占空比。不斷地調(diào)試PID參數(shù),可以使電機(jī)的轉(zhuǎn)角達(dá)到給定值,這樣即可使電機(jī)按照固定角度來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)IPMC薄片做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)的主程序是一個(gè)循環(huán)程序,其流程圖如圖4所示。其速度控制算法采用增量式PID算法[10,11]。相比于位置式PID算法,增量式PID算法不容易引起積分飽和,能獲得更好的控制效果。

圖4 程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)效果

采用改進(jìn)后新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)PMW占空比來(lái)調(diào)節(jié)直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而間接調(diào)節(jié)IPMC擺動(dòng)頻率，同時(shí)，也可以通過(guò)修改程序中直流伺服電機(jī)角度值達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小，從而間接調(diào)節(jié)IPMC擺動(dòng)幅度的目的。通過(guò)PID算法控制直流伺服電機(jī)擺動(dòng)更加精確，用激光位移傳感器測(cè)得IPMC運(yùn)動(dòng)軌跡信號(hào)為近似標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，相比步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的步進(jìn)不連續(xù)現(xiàn)象有了很大的提升，使得IPMC在低頻環(huán)境下采集到的信號(hào)具有很好的連續(xù)性與穩(wěn)定性。

圖5給出了IPMC在電機(jī)以1.2 Hz來(lái)回?cái)[動(dòng)下測(cè)得的輸入信號(hào)，結(jié)果表明:給IPMC驅(qū)動(dòng)的輸入信號(hào)近似標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)。同時(shí)IPMC擺動(dòng)頻率可任意調(diào)節(jié)，滿足實(shí)驗(yàn)需在不同頻率下測(cè)試的需要。圖6是調(diào)節(jié)電壓后，使輸出PWM波占空比增大,加大電機(jī)轉(zhuǎn)速后，IPMC在2.8 Hz下測(cè)得的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因?yàn)镮PMC受到溫度和濕度的影響大，因此，所有測(cè)試結(jié)果均為IPMC在室溫20℃環(huán)境下測(cè)得的。另外，IPMC輸出信號(hào)經(jīng)由INA103芯片構(gòu)成的放大電路后產(chǎn)生的噪聲也更低，圖7為給定2.8 Hz正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)IPMC后產(chǎn)生輸出響應(yīng)效果，相比之前的OP07放大電路輸出,信號(hào)噪聲明顯降低。

圖5 1.2 Hz正弦信號(hào)

圖6 2.8 Hz正弦信號(hào)

圖7 給2.8 Hz正弦信號(hào)IPMC產(chǎn)生的響應(yīng)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了利用STM32單片機(jī)與精密電位器作為角度反饋改進(jìn)了原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，將步進(jìn)電機(jī)換為直流伺服電機(jī)，并采用PID算法來(lái)控制直流伺服電機(jī)按照固定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，以使IPMC薄片來(lái)回彎曲擺動(dòng)，這種新的設(shè)計(jì)可以通過(guò)改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角間接改動(dòng)IPMC的擺動(dòng)頻率和幅度。而且直流伺服電機(jī)擺動(dòng)效果可以使得IPMC驅(qū)動(dòng)信號(hào)相比步進(jìn)電機(jī)擺動(dòng)效果更好，并采用具有超低噪聲和失真小的特點(diǎn)的INA103芯片作為放大電路，大大的降低了IPMC輸出信號(hào)的噪聲，實(shí)驗(yàn)表明:這種新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)不僅對(duì)IPMC施加的變形信號(hào)更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確同時(shí)也使得IPMC輸出的傳感信號(hào)噪聲干擾更小，并且對(duì)IPMC擺動(dòng)頻率和幅度可調(diào)，為后續(xù)IPMC輸入不同信號(hào)的研究提供良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[12]，具有非常高的實(shí)用價(jià)值。

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