板球控制系統(tǒng)的抗干擾電路設(shè)計(jì)與分析

王小會(huì)，李保印，薛延剛

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.中電萬(wàn)維信息技術(shù)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

為研究非線性控制系統(tǒng)，尋找合適的檢驗(yàn)平臺(tái)成為越來(lái)越多學(xué)者研究的課題，而板球控制系統(tǒng)以其非線性、多變量、強(qiáng)耦合的優(yōu)勢(shì)作為研究自動(dòng)化控制的媒介[1]。球體作為一種多變量非線性控制對(duì)象，研究其定點(diǎn)控制和軌跡運(yùn)動(dòng)對(duì)自動(dòng)化控制有著重要意義。近年來(lái)，一些學(xué)者也做了許多關(guān)于板球系統(tǒng)的研究：Zhou等[2]采用OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊，以其自帶的STM32F765芯片為核心，集成的OV7725攝像機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)并計(jì)算球在板上的位置，通過(guò)串級(jí)PID控制器計(jì)算數(shù)據(jù)，輸出PWM波控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，設(shè)計(jì)了一種基于OpenMV的板球系統(tǒng)；Zheng等[3]通過(guò)研究板球系統(tǒng)的控制問(wèn)題，運(yùn)用順序細(xì)化算法的分段路徑規(guī)劃跟蹤技術(shù)，提出了一種基于BPS的魯棒快速視覺(jué)跟蹤解決方案，設(shè)計(jì)了一種板球控制系統(tǒng)；Cao等[4]采用四線電阻屏獲取球的位置，使用HC05藍(lán)牙模塊與手機(jī)通信，通過(guò)點(diǎn)擊手機(jī)屏幕隨時(shí)改變小球的定點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)板球系統(tǒng)按鈕或手機(jī)APP控制指定的軌跡運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種基于PID算法的板球控制系統(tǒng)；Jian等[5]采用Mega 2560作為主控制器、運(yùn)用OpenMv圖像處理模塊、舵機(jī)執(zhí)行模塊、顯示模塊和機(jī)械結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)完成硬件設(shè)計(jì)，采用PID控制算法，設(shè)計(jì)了一種基于圖像識(shí)別的滾球控制系統(tǒng)；徐涢基等[6]采用STM32控制器作為主控芯片，以0V7670攝像頭實(shí)時(shí)采集小球的位置信息，通過(guò)對(duì)小球速度采用比例-積分-微分算法，對(duì)小球位置采用比例-微分算法，設(shè)計(jì)了一種串級(jí)PID算法，共同對(duì)小球進(jìn)行控制。這些文獻(xiàn)都研究了板球系統(tǒng)，但對(duì)系統(tǒng)硬件電路所產(chǎn)生的干擾信號(hào)沒(méi)有考慮。干擾信號(hào)是影響板球控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。球體控制是否能夠精確地完成相應(yīng)的要求，取決于系統(tǒng)受到外界干擾大小，所以設(shè)計(jì)板球系統(tǒng)的抗干擾電路很有必要。

1 干擾源分析

在傳播的過(guò)程中，信息有時(shí)會(huì)被阻斷或在傳遞過(guò)程中發(fā)生改變。這些因素使人們接收不到完整有用的信息。信號(hào)是表示信息的物理量，對(duì)有用信號(hào)的接收造成損傷就是干擾。干擾源、傳播路徑和敏感器件是導(dǎo)致干擾的3個(gè)基本要素。干擾會(huì)使器件本身的靈敏度降低，重點(diǎn)是會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生影響，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)很大的誤差。

2 抗干擾措施

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾

單片機(jī)內(nèi)部元器件在工作中會(huì)造成干擾，并通過(guò)電源線、信號(hào)線、地址線、分布電感和分布電容進(jìn)行傳輸，可通過(guò)接地、屏蔽、隔離、濾波、抑制反電勢(shì)等方式減少干擾。

(1)接地：對(duì)于高頻電路，采用多點(diǎn)串聯(lián)方式；對(duì)于低頻電路，則采用單點(diǎn)并聯(lián)方式。

(2)屏蔽：使用銅、鋁、鋼等金屬材料制成的屏蔽體來(lái)屏蔽單片機(jī)周圍的電磁場(chǎng)和輻射場(chǎng)。

(3)隔離：一種是通過(guò)電源線和信號(hào)線分開(kāi)走線，遠(yuǎn)離高頻導(dǎo)線，適用于小信號(hào)、低電平的物理隔離方式。另一種是對(duì)收發(fā)信號(hào)的設(shè)備采用光電隔離，讓設(shè)備輸入端與輸出端的電流構(gòu)不成流通的回路。

(4)濾波：在帶有負(fù)載的電路中，有時(shí)負(fù)載變化會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓，噪聲電壓可以用電容、電感等儲(chǔ)能元件來(lái)抑制。

(5)抑制反電勢(shì)：電流通過(guò)含電感量的元件或設(shè)備時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，可通過(guò)并聯(lián)二極管和穩(wěn)壓管或并聯(lián)電阻和電容等方式抑制反電動(dòng)勢(shì)。

2.2 圖像采集電路抗干擾

圖像采集電路是監(jiān)測(cè)小球在平板上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置，是整個(gè)系統(tǒng)最為重要的一環(huán)。OV7725攝像頭在圖像二值化處理時(shí)，它的邊沿檢測(cè)關(guān)系采集到的圖像是否完整。當(dāng)圖像信號(hào)發(fā)生跳變，電壓比較器的輸入端會(huì)形成幅度差。在幅度差超過(guò)某一閾值時(shí)，電壓比較器輸出端會(huì)發(fā)生電平跳轉(zhuǎn)，從而輸出方波形式的圖像信號(hào)。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路抗干擾

驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)上位機(jī)PWM信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。如將PWM信號(hào)由信號(hào)線直接輸入，舵機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，降低舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的精度，可以在信號(hào)發(fā)送端和接收端加上光耦隔離電路以消除抖動(dòng)干擾。光耦隔離電路原理如圖1所示。

圖1 光耦隔離電路原理

2.4 電源電路抗干擾

板球系統(tǒng)采用的電源是開(kāi)關(guān)電源，在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲干擾。在電網(wǎng)線路的外部干擾中，共模信號(hào)具有高頻、高幅特點(diǎn)。它會(huì)通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生電磁輻射，對(duì)電源造成的較大干擾。抑制這種干擾需要在交流電源輸入端采用EMI濾波器，其電路原理如圖2所示。

圖2 EMI濾波電路

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)板球控制系統(tǒng)進(jìn)行未加抗干擾電路和加抗干擾電路控制實(shí)驗(yàn)。將小球放置在60 cm×60 cm的平板上，以平板的長(zhǎng)度作為橫坐標(biāo)，寬度作為縱坐標(biāo)。小球由初始位置(10 cm,50 cm)進(jìn)入目標(biāo)位置(30 cm,30 cm)，并在目標(biāo)位置處停留，保持穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 板球系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1的結(jié)果及板球系統(tǒng)實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)，未加抗干擾電路的板球系統(tǒng)，小球運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)幅度較大，而且到達(dá)目標(biāo)位置并保持穩(wěn)定的狀態(tài)需要較長(zhǎng)的時(shí)間。而加入抗干擾電路的板球系統(tǒng)控制小球進(jìn)入目標(biāo)位置并保持穩(wěn)定的狀態(tài)需要較短的時(shí)間，比未加抗干擾電路的板球系統(tǒng)少了2.1 s，距離目標(biāo)位置更近，優(yōu)于未加抗干擾電路的板球系統(tǒng)的性能。

4 結(jié)語(yǔ)

加入抗干擾電路之后，板球系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等性能均優(yōu)于未加抗干擾電路的系統(tǒng)，所以板球控制系統(tǒng)加入抗干擾電路后，控制性能得到很大提升。