基于ARM的鋼珠拋射裝置設(shè)計(jì)＊

范振，雷思敏，于錦濤，溫如春，韓樹人

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基于ARM的鋼珠拋射裝置設(shè)計(jì)＊

范振，雷思敏，于錦濤，溫如春，韓樹人

（江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000）

傳統(tǒng)的拋射裝置中，通常利用燃料產(chǎn)生的空氣壓力，推動(dòng)發(fā)射管內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)。其發(fā)射路線具有較大的不確定性，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)拋射距離的精確控制。鋼球拋射裝置基于ARM芯片STM32F407ZGT6，配合松下A5伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)，通過反饋電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的Z相脈沖構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)伺服系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度及轉(zhuǎn)速的精確控制。基于MATLAB建立鋼珠運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，使用HMI觸摸串口屏設(shè)定拋射距離，拋射裝置能夠精準(zhǔn)地拋射鋼珠至設(shè)定距離，并且最遠(yuǎn)拋射距離極大。

ARM；閉環(huán)伺服系統(tǒng)；MATLAB；鋼珠運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

傳統(tǒng)技術(shù)中，大炮等拋射裝置都是將拋筒內(nèi)的物體直接發(fā)射出去，發(fā)射路線呈拋物線，難以精準(zhǔn)控制其拋射距離和拋射角度。本設(shè)計(jì)以ARM芯片為控制核心，構(gòu)造了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拋射的閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析

鋼球拋射裝置需要在一定范圍內(nèi)精確拋射。從結(jié)構(gòu)上看，鋼球拋射裝置由圓管、電機(jī)、控制電路等構(gòu)成。使用聯(lián)軸器連接圓管與電機(jī)，將鋼珠置于圓管內(nèi)的插銷上，電機(jī)將圓管從一個(gè)角度迅速向下旋轉(zhuǎn)至另一個(gè)角度，從而將鋼珠從圓管內(nèi)拋出，如圖1所示。

圖1 鋼珠拋射示意圖

從原理上看，鋼珠未拋射前在管中由于離心力的作用沿管壁上升，當(dāng)圓管突然停止或鋼珠與圓管自然分離后，鋼珠飛出。在圓管裝入鋼球后，如果圓管首先向后低速旋轉(zhuǎn)，到零度位置然后高速向前運(yùn)動(dòng)，越過90°，到135°（坐標(biāo)第二相限的45°角度）附近緊急剎車，鋼球就會(huì)被拋射出去（圓管長(zhǎng)度應(yīng)該與旋轉(zhuǎn)速度、鋼球在圓管內(nèi)部直線運(yùn)動(dòng)距離相匹配）。鋼珠拋射距離由鋼珠質(zhì)量、鋼珠在圓管內(nèi)的起始位置、圓管的起始角與停止角以及圓管的旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)決定，通過建立“鋼球拋射距離-拋射角度-拋射速度”數(shù)學(xué)模型控制這些參數(shù)的值，能夠精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼球的拋射距離的控制。

2 鋼球精準(zhǔn)拋射裝置的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

結(jié)合鋼珠拋射裝置的控制需求，可以采用STM32芯片作為控制器，松下交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行鋼珠拋射裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)。STM32F407ZGT6芯片是基于高性能的 ARM?Cortex?-M4 的32位RISC內(nèi)核處理器，芯片主頻高達(dá)168 MHz，擁有I2C、SPI、PWM等總線接口，該芯片具有體積小、性能強(qiáng)、便攜性高的特點(diǎn)，能夠用于實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的控制。其中，STM32需要通過松下A5伺服驅(qū)動(dòng)器間接控制電機(jī)。A5驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)松下交流伺服電機(jī)，響應(yīng)頻率為2.0 kHz，1圈104萬脈沖，基本實(shí)現(xiàn)瞬間啟動(dòng)與停止；可以實(shí)現(xiàn)高分辨率操作與高速操作，且慣量小，適用于高速大力矩工作狀態(tài)。額定功率為400 W，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，可有效提高拋射裝置的可控拋射范圍。

用戶通過HMI觸摸串口屏設(shè)定拋射距離，通過串口通訊傳送給STM32，STM32根據(jù)所建立“鋼球拋射距離-拋射角度-拋射速度”數(shù)學(xué)模型計(jì)算電機(jī)拋射角度與拋射速度，然后發(fā)出對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)波。

由于A5驅(qū)動(dòng)器需要12 V直流電源供電，而STM32最多提供5 V電壓，因此，通過一個(gè)光耦放大電路實(shí)現(xiàn)小電壓控制大電壓，且保護(hù)電路。STM32使用X4接口控制A5驅(qū)動(dòng)器，A5驅(qū)動(dòng)器自身能夠設(shè)定豐富參數(shù)，自身參數(shù)設(shè)定和STM32的PWM等指令結(jié)合起來，使用XB和X6編碼器連接并控制伺服電機(jī)，如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了減少系統(tǒng)建立運(yùn)動(dòng)控制模型的復(fù)雜度，選擇直徑為8 mm質(zhì)量為20.6 g的實(shí)心鋼球，15 cm長(zhǎng)的輕質(zhì)鋁合金圓管，并在圓管內(nèi)距聯(lián)軸器5 cm處放置插銷，圓管以與地面成10°作為初始拋射角度。

2.2.1 光耦放大電路設(shè)計(jì)

STM32F407輸出高電平為3.3～5 V，而A5驅(qū)動(dòng)器有效電壓為12 V左右直流電壓。STM32發(fā)出的低壓（5 V）PWM信號(hào)波通過PC817光耦電路發(fā)出互補(bǔ)波形的高壓（12 V）PWM信號(hào)波，進(jìn)而控制A5驅(qū)動(dòng)器。PC817光耦芯片上下級(jí)電路完全隔離，截止頻率為80 kHz，cemax=35 V，bemax=6 V，總功耗200 mW，是拋射裝置理想的具有低功耗高頻率特性的光耦芯片。

2.2.2 Z相捕獲電路設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)內(nèi)的測(cè)量轉(zhuǎn)速專用編碼器對(duì)分頻處理后的編碼器信號(hào)（A相、B相、Z相）用各自的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器差動(dòng)輸出。電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)Z相脈沖。使用AM26LS32芯片檢測(cè)并放大Z相脈沖，未達(dá)參考角度時(shí)，AM26LS32輸出保持低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)至參考角度時(shí)輸出出現(xiàn)高電平脈沖，且轉(zhuǎn)速越快脈沖占空比越小。

設(shè)置STM32最高優(yōu)先級(jí)中斷捕捉該Z相脈沖出現(xiàn)角度作為參考角度（定值），根據(jù)用戶設(shè)定的角度差值（定值）確定拋射初始角度（定值）。并且當(dāng)電機(jī)每次正轉(zhuǎn)至停止角拋射鋼珠之后，可精準(zhǔn)反轉(zhuǎn)至初始角，從而保證了每次拋射角度的精度。

2.2.3 ARM與A5驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)的連接

A5驅(qū)動(dòng)器是ARM控制伺服電機(jī)的“中轉(zhuǎn)站”，ARM芯片通過光耦電路連接至X4接口控制A5驅(qū)動(dòng)器，A5驅(qū)動(dòng)器通過XB和X6編碼器連接到伺服電機(jī)。用戶使用keil5軟件對(duì)STM32燒錄程序，ARM通過X4接口直接控制A5驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器使用編器與伺服電機(jī)通訊，電機(jī)頻率為500 kHz時(shí)，最高轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。

2.2.4 系統(tǒng)供電模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)供電包含三部分，即220 V交流電輸入、5 V直流電輸入和24 V直流電輸入。220 V交流電經(jīng)過斷路保護(hù)器和繼電器組成的電源保護(hù)電路后，連接至24 V開關(guān)電源以及A5驅(qū)動(dòng)器XA接口作為供電。A5驅(qū)動(dòng)器直接給伺服電機(jī)供電，24 V開關(guān)電源產(chǎn)生5 V和12 V直流電壓分別給STM32以及光耦電路受控端供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是HMI觸摸串口屏設(shè)計(jì)和系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)。使用USART軟件設(shè)計(jì)HMI觸摸屏界面，向裝置輸入拋射距離。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)分為鋼球運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型建立和控制程序設(shè)計(jì)?？刂瞥绦虿捎媚K化設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)角控制程序設(shè)計(jì)、Z相捕捉程序設(shè)計(jì)等模塊。

3.1 鋼球運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立

鋼珠拋射距離由鋼珠質(zhì)量、鋼珠在圓管內(nèi)的起始位置、圓管的起始角與停止角以及圓管的旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)決定。由于鋼球在此運(yùn)動(dòng)過程難以用數(shù)學(xué)公式精確推導(dǎo)，本文提出使用MATLAB軟件中的cftool擬合工具箱進(jìn)行三元擬合，以此建立“鋼球拋射距離-拋射角度-拋射速度”數(shù)學(xué)模型。

控制電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)至相同角度，記錄在不同轉(zhuǎn)速下鋼珠的拋射距離；保持速度不變，記錄在不同角度下鋼珠的拋射距離；經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后，得到大量拋射距離-拋射角度-拋射速度的數(shù)據(jù)；使用MATLAB軟件中的cftool擬合工具箱對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行三元擬合，得到擬合度高達(dá)96.5%的拋射距離與拋射角度以及拋射速度函數(shù)關(guān)系，建立了“鋼球拋射距離-拋射角度-拋射速度”數(shù)學(xué)模型。

3.2 主程序的設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)的功能決定于程序的設(shè)計(jì)和A5驅(qū)動(dòng)器自身設(shè)置。對(duì)照A5伺服驅(qū)動(dòng)器用戶手冊(cè)將其設(shè)置為每轉(zhuǎn)需10 000個(gè)脈沖，其他為默認(rèn)值。脈沖由PWM產(chǎn)生，在程序中改變脈沖數(shù)及脈沖頻率即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

A5驅(qū)動(dòng)器受12 V的PWM信號(hào)波控制，PWM信號(hào)波可由定時(shí)器中斷產(chǎn)生。當(dāng)觸摸屏輸入拋射距離并且按下確定按鍵之后，STM32由鋼球運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出拋射該距離電機(jī)所需轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)而求解出達(dá)到該轉(zhuǎn)速所需PWM信號(hào)波參數(shù)以及轉(zhuǎn)動(dòng)該角度定時(shí)器所需作用的時(shí)間。當(dāng)鋼球拋射完成，圓管因?yàn)閹ж?fù)載導(dǎo)致實(shí)際拋射角度大于理論拋射角度，但STM32根據(jù)所捕捉的Z相脈沖時(shí)間在整個(gè)拋射周期的比例，精確地求出實(shí)際拋射角度，進(jìn)而配置定時(shí)器使圓管精準(zhǔn)的返回至初始拋射角度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本鋼球拋射裝置選用伺服電機(jī)，通過反饋Z相脈沖實(shí)現(xiàn)閉環(huán)伺服控制，并且使用MATLAB擬合工具箱建立了極高擬合度的鋼球運(yùn)動(dòng)模型，保證了鋼珠拋射的精確性，拋射距離極大。

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范振（1999—），男，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。

2016江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：GJJ160652）；2017年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201710407010）

2095－6835（2019）07－0003－02

TP23

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.003

〔編輯：張思楠〕