一種高精度自動調平工作臺設計

摘 要:介紹一種高精度自動調平工作臺。該工作臺由電子水準器、控制系統、伺服電機等構成，用于工作臺的水平檢測。執行機構選用伺服電機，控制系統以ARM微處理器作為核心。通過構建的“三點法”調平控制模型，實現對工作臺面的高精度自動調平。給出自動調平的控制數學模型、硬件構成和控制方法，在實際應用中已取得較好的效果。

關鍵詞:調平;電機;電子水準器;ARM

中圖分類號:TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-107-03

Design of Working Platform with High Precision Automatic Self Leveling

LUO Zhenyuan1，TIAN Yumin2，MA Xiaohui2

(1.Xi′an University of Arts and Science，Xi′an，710054，China;2.Xi′an Research Institute of Surveying and Mapping，Xi′an，710054，China)

Abstract:The working platform with a high precision automatic self leveling is introduced.This platform consists of electronic water leveler，control system and servo motors.The gradient is applied to ascertain whether the working platform′s surface is horizontal or not.The servo motor is used.The control system based on ARM adopts the ″three-point″ leveling principle model to achieve automatic leveling of the high precision.The mathematical model，hardware and control method of self leveling are given，good results are gained

Keywords:leveling;motor;electronic water level;ARM

0 引 言

在現代國防與民用技術中，常常需要把某些設備精確地調整到水平位置，以提高系統的工作性能，達到某一指標要求。如利用測繪儀器進行工程測量時，常常需要對測繪儀器進行調平對中。測繪儀器調平時，通過水準器檢測儀器的水平狀態，采用“三點法”，依靠人工作業完成，這種方法耗時長，調平精度差。本文設計了一種高精度、低成本的自動調平工作臺。該工作臺的控制系統采用精密電子水準器作為水平傳感器檢測工作臺面的水平狀態，采用PWM輸出信號控制調平電機，對工作臺面進行調平，并利用ARM微處理器進行閉環控制，實現工作臺面的自動調平。

1 系統的工作原理

自動調平工作臺具有A，B，C三個調整腳，平臺臺面可在三個調整腳上平動，如圖1所示。將平臺投影在水平面上，A，B，C點構成等邊三角形。如將A調整腳的高低位置固定，調整B調整腳，使AB邊處于水平狀態;調整C調整腳，使AC邊處于水平狀態;當AB，BC，CA為剛性連接，AB，AC為兩條直線水平時，則平臺處于水平狀態。

圖1 自動調平工作臺示意圖

1.1 水平檢測

本系統采用高靈敏度電子水準器作為水平檢測傳感器。該電子水準器基于差動電容原理，依據其輸出電容值的大小測量平臺傾斜度。當電子水準器處于水平位置時，其輸出差動電容值為零，檢測的水平精度可達2″。將電子水準器作為水平傳感器按圖1所示的方向安裝于平臺上，即可對平臺進行實時檢測。

水平傳感器的輸出含有A-C和A-B兩個方向的信號。Ⅰ號水平傳感器輸出值為正時，表明A位置高于C位置;Ⅰ號水平傳感器輸出值為負時，表明A位置低于C位置。同理，Ⅱ號水平傳感器為正時，表明A位置高于B位置;為負時，表明A位置低于B位置。若Ⅰ，Ⅱ號水平傳感器的輸出都為0，則可認為平臺已處于水平狀態。

1.2 控制數學模型

數學模型主要是得到水平傾角θ1，θ2與各調整腳位移ΔZ之間的函數關系，如圖2所示。當某一瞬時平臺位置為AB′C′，平臺調平時臺面位置為ABC時，Ⅰ號水平傳感器輸出傾角值為θ1，Ⅱ號水平傳感器輸出傾角值為θ2。為了簡化工程運算，在θ1，θ2較小時，根據幾何關系可知，B，C調整腳的位移為:

ΔZB=BB′=ABtan θ2

ΔZC=CC′=ACtan θ1

(1)

圖2 數字模型

在水平傳感器精度、平臺加工精度一定的情況下，平臺水平誤差的大小與水平傳感器的位置有一定關系，“三點法”調平的水平誤差可根據水平傳感器檢測的傾角θ1，θ2合成為:

θ=θ21+θ22-2θ1θ2cos α/sin α

(2)

式中:α為兩個水平傳感器之間的夾角。

如果θ1，θ2的檢測精度為±δ，則“三點法”調平的水平誤差為:

Δθ=2-2cos αδ/sin α

(3)

1.3 水平調節

調整腳的執行機構采用PWM模式驅動的直流伺服電機。直流電機選擇用Maxon的產品，并配合減速箱，以滿足調平驅動力和精度的要求。電機控制采用PID控制。

模擬PID控制系統原理如圖3所示。圖3中，r(t)是給定值;y(t)是系統的實際輸出值;p(t)為反饋值;u(t)是PID控制器的輸出量，也是被控對象的輸入量;e(t)=r(t)-u(t)為給定值與反饋值構成的控制偏差。模擬PID控制器的控制規律為:

u(t)=KPe(t)+1TI∫t0e(t)dt+TDde(t)dt〗+u0

(4)

式中:KP為比例系數;TI為積分常數;TD為微分常數;u0為控制常量的初始值。

由于計算機控制是一種采樣控制，必須對模擬控制模型進行離散化處理。以T作為采樣周期，k作為采樣序號，則離散采樣時間KT對應著連續時間t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，即可得到離散的PID控制模型為:

uk=KPek+TTI∑kj=0ej+TDT(ek-ek-1)〗+u0

(5)

式中:k為采樣序號，k=0，1，2，…;uk為第k次采樣時刻計算機的輸出值;ek為第k次采樣時刻輸入的偏差值;ek-1為第k-1次采樣時刻輸入的偏差值。

圖3 控制系統原理圖

2 硬件設計

本系統由兩個電子水準器、電容數字轉換器AD7745[6]、基于ARM7內核的LPC2131微控制器[7]、功率放大器、直流電機組成，如圖4所示。兩個電子水準器檢測工作平臺的水平狀態，以電容輸出值的不同表示臺面的水平程度。電容數字轉換器AD7745將電子水準器的量測電容以差分形式作為輸入，轉換成數字信號。LPC2131微控制器采集AD7745輸出的數字信號，通過特定的算法處理，利用自帶的PWM信號輸出控制L298N的輸出電壓，從而驅動電機運轉，達到自動調平的設計目的。

圖4 系統硬件結構圖

3 軟件設計

如圖5所示，系統軟件包括LPC2131和AD7745初始化、電子水準器的數據采集、控制模型的數據處理和電機控制信號的輸出四個部分。根據離散化思想，把調平過程分解為若干個追蹤周期。每一個追蹤周期包括數據采集、數據處理和輸出控制。每經過一個追蹤周期，平臺向水平平面靠近一些，逐漸逼近水平，即每經過一個追蹤周期，平臺平面與水平面的夾角逐漸變小，直至趨近于零。

數據采集:以I2C標準接口采集經電容數字轉換器AD7745轉換后的電子水準器輸出電容值。

數據處理:對采集的數據進行轉換和處理，判斷應調整直流電機Ⅰ還是直流電機Ⅱ;是向上調整還是向下調整，并對調整范圍給出量化數據。

輸出控制:根據數據處理結果，編程控制LPC2131的PWM相關寄存器，控制電機運轉。

圖5 軟件流程圖

4 結 語

(1) 由于采用電容數字轉換器AD7745的分辨率可達4 aF，并內置有溫度傳感器，使得電子水準器的檢測精度可達2″。

(2) 由于構建的控制模型合理，在選用帶減速機構的Maxon高精度伺服電機配合下，保證了自動調平工作的安平精度在5″以內。

參考文獻

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