電磁控制運動裝置方案選擇

摘要：2013年全國大學生電子設計競賽高職組J題，要求設計一個電磁控制運動裝置通過控制電磁鐵，使懸掛電磁鐵的擺桿按照一定擺角運動，并對擺角、相應時間提出了要求。討論了不同的方案，最終以單片機為控制核心，輔以步進電機驅動電路、液晶屏顯示電路、按鍵控制電路、聲光報警電路等模塊實現了系統的基本功能要求。

關鍵詞：電磁控制裝置 單片機 步進電機

1 控制要求

設計并制作一套電磁控制運動裝置，該裝置由電磁控制裝置、擺桿等部分構成。

1.1 基本要求 ①按下啟動按鈕，由靜止點開始，控制擺桿擺動。②由靜止點開始，控制擺桿在指定的擺角（10°～45°范圍內）連續擺動，擺動擺角絕對誤差≤5°，響應時間≤15s。③由靜止點開始，按指定周期（0.5s～2s 范圍內）控制擺桿連續擺動，擺動周期絕對誤差值≤0.2s，響應時間≤15s。④在擺桿連續擺動的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩地停在靜止點上，停止時間≤10s。

1.2 發揮部分 ①擺桿擺角幅度能在10°～45°范圍內預置，預置步進值為5°，擺角幅度絕對誤差值≤3°，響應時間≤10s。②擺桿的周期能在0.5s～2s范圍內預置，預置步進值0.5s，周期絕對誤差值≤0.1s，響應時間≤10s。③擺桿擺角幅度和周期在上述范圍內可同時預置，由靜止點開始擺動，擺角幅度值和周期相對誤差要求均和發揮部分中的①、②相同。當擺桿穩定運行20秒后發出聲、光提示，并在5s內平穩停在靜止點上。

2 系統方案選擇與論證

根據要求，設計的電磁控制運動裝置系統主要包括主處理器、液晶顯示模塊、按鍵模塊、步進電機驅動模塊、編碼器角度測量模塊、聲光報警模塊等幾部分。

2.1 系統總體方案 電磁控制裝置控制磁鐵左右擺動，帶動運動擺桿擺動，連動擺角指針，指示出擺動的角度。通過對系統功能要求的分析，設想了實現電磁控制裝置功能的兩套方案。①風扇驅動方案。通過兩個相對的風機組成風道，中間放置一塊擋風板，擋風板連接電磁鐵，通過對兩個風機開啟、關閉的時間控制改變擋風板位置，連動電磁鐵發生位移，同時電磁鐵通過電磁場帶動擺桿上的磁鐵形成擺動。兩個相對的風機可以方便簡捷的控制擋風板左右位移，從而可以輕易的帶動上方磁鐵及擺桿，完成題目基本要求；但精度較低，對于題目發揮部分較難操控。②電機驅動方案。電機以特定的連接方式帶動電磁鐵發生位移，從而通過磁場控制擺桿下方磁鐵運動以及擺桿的連動。電機進退位移準確，精度高，穩定性好，便于控制。方案比較：通過實用性、可控性、可靠性、穩定性、精度等方面的對比，選擇方案二。

2.2 電機方案機械部分選擇 電磁控制裝置驅動方案確定使用電機后，需考慮電機驅動模型的構造。通過對目的及功能要求的分析提出三個較可行方案。①齒條軌道。電機上安裝電磁鐵，兩側安裝齒輪，齒輪下方與齒條咬合形成軌道，通過控制電機正反轉，電磁鐵在軌道上呈“折返跑”運動，通過磁場帶動擺桿下方磁鐵運動。齒條可塑性高，便于構筑軌道，電機的齒輪與齒條咬合便于控制距離。②履帶軌道。用履帶模擬軌道，履帶兩端分別有兩個電機連動，履帶上放置電磁鐵。左右兩端電機分別控制履帶正反轉，完成電磁鐵的位移，進而通過磁場控制擺桿下方磁鐵運動。兩個電機分別控制正反轉便于操控，同時考慮電機性能，兩個電機提高了安全性，防止電機因不斷高速變向運轉而損壞。③雙擺模型。制作一個擺軸由電機控制的擺（L2），擺桿下端放置電磁鐵，同時擺L2與角度測試擺（L1）保持同心旋轉，擺L2半徑比擺L1長。兩擺通過特定位置放置，達到L2電磁鐵與被測擺L1的磁鐵相鄰平行。通過電機控制擺L2左右擺動，依靠磁場帶動L1磁鐵及L1擺桿做同樣擺動。用電機直接控制擺動角度便于操作，精度較高，穩定性高。方案比較：通過實用性、可控性、可靠性、穩定性、精度等方面的對比，方案一中，齒條對于構筑軌道強度、韌性不足，直接導致精度和穩定性下降；方案二中，履帶相對較穩定，但兩個電機控制履帶正反轉，轉速和精度很難同時達到。最終選擇方案三。

2.3 電機方案電機選擇 電機機械部分確定后，需根據機械構造對電機的性能需求選擇合適的電機。由于本實驗要實現對角度的較準確的定位。采用步進電機作為該系統的驅動電機。由于其轉過的角度可以精確的定位，可以實現直接對擺桿角度控制的精確定位。步進電機的輸出力矩較低，隨轉速的升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，其轉速較低。

2.4 控制器方案選擇 選擇宏晶科技的STC12C5A60S2單片機，該芯片是單時鐘（機器周期1T）單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S，即25萬次/秒），針對電機控制，強干擾場合。STC12C5A60S2單片機具有兩路PWM，可以更好的支撐硬件電路，有效的減少編程量，且STC單片機運行速度較快，易于實現電機的控制，所以系統控制選擇STC12C5A60S2單片機。

3總結

電磁控制裝置主要包括步進電機和電磁鐵，由步進電機帶動電磁鐵擺動，形成擺動的磁場，從而帶動運動擺桿在指定的角度范圍內擺動，指針指示出擺動的角度，同時由編碼器構成的閉環系統可實時檢測擺桿擺動的角度，并可通過液晶顯示屏顯示。

參考文獻：

[1]張有志.全國大學生電子設計競賽培訓教程[M].清華大學出版社，2013.

[2]寧武等.新版大學生電子設計競賽基本技能指導[M].電子工業出版社，2013.

[3]郭天祥.51單片機C語言教程[M].電子工業出版社，2009.

作者簡介：戴青云（1976-），男，講師，碩士，石家莊職業技術學院電氣與電子工程系，主要研究方向：計算機控制。