關于電磁場對單擺運動控制的研究

邢 華，范亞琳，王文寧，趙志駿

(1.承德石油高等專科學校熱能工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學校電氣與電子工程系，河北 承德 067000)

1 系統方案

電磁控制單擺運動系統主要由控制模塊、驅動模塊、輸入模塊和顯示模塊四部分組成，下面分別對幾個模塊進行論證和選擇。

1.1 控制模塊

采用STM32F103單片機作為控制模塊核心元件。STM32F103單片機采用ARM內核。一般采用哈弗結構，具有高速指令緩存和數據緩存，ARM芯片除了具有ARM核心外，還具有豐富的外設接口，例如:外擴RAM和FLASH控制器、LCD控制器、SD接口、串行接口、USB接口、I2C和I2S總線接口，此外，ARM芯片還具有低功耗、體積小等特性。ARM芯片的高性能、多接口特點決定了其比單片機和DSP更適合作為嵌入式系統的核心處理器［1］。

1.2 驅動模塊

采用L298N芯片實現驅動功能。L298N是SCG公司生產的雙全橋2A電機驅動芯片，L298N內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，輸出功率可達25W［2］。L298N具有反應速度快、控制能力強、可控方便等優點。

1.3 輸入模塊

采用觸摸屏輸入。觸摸屏可以根據菜單樣式來設置按鍵位置，按鍵設置靈活，便于操作，節約單片機I/O口。同時觸摸屏具有輸出界面色彩可調、視覺效果良好等特點。觸摸屏采用異步、全雙工串口，串口模式為8nl，即每個數據傳送采用10個位:一個起始位，8個數據位，1個停止位［3］。

角度傳感器輸入模塊采用WDD35D型角度傳感器。WDD35D角度傳感器是一個高精度、標稱阻值為0.5～10 kΩ 的電位器。其阻值偏差為 ±15%;線性度達到0.1%;線性精度為0.1%、0.3%和0.5%;功率為2 W，壽命為5 000萬次;機械轉角可達360°;理論電旋轉角為345°;測量角度的最大偏差為0.345°［4］。

1.4 顯示模塊

使用TFT彩屏顯示。TFT彩屏的特點主要有顯示畫面清晰、畫面效果良好、無輻射危險、分辨率高，同時可以顯示16位真彩畫面，顯示圖片及其他顏色，畫面視覺良好，可控性及編程簡單，使用方便。

2 系統理論分析與計算

2.1 PWM控制技術與A/D、D/A轉換

1)PWM控制原理:它是通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。脈寬調制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需要的電壓或電流信號［5］。通過改變方波的占空比來改變高低電平產生的時間，從而可以調節電流和電壓的大小。

2)D/A轉換:單片機用于控制時往往要將運算后的控制量(數字信號)轉換成模擬信號，送至執行機構或其他輸出部件，這種轉換稱之為數/模(D/A)轉換［6］。STM32F103內部集成了12位的高速A/D(D/A)轉換芯片。A/D轉換器是用來通過一定的電路將模擬量轉變為數字量。通過A/D轉換器將角度傳感器的電壓信號轉換成單片機數字信號，然后利用單片機進行控制。

2.2 系統總體分析

方案:利用電磁鐵斥力作用，擺桿受力分析見圖1。

由圖1可知，當擺桿垂直靜止在中間位置時，擺桿就受兩個力的作用:垂直向下的重力和軸的支持力。此時電磁鐵若給永久磁鐵一個斥力(如圖1(a)所示)，擺桿就會向左擺動。

然而電磁鐵所給磁力的范圍并不是很廣，在15°范圍內，所以在擺桿超過15°時就需要利用慣性使擺桿達到一定高度。當擺到最高角度時(如圖1(b)所示)，便會向下擺動，在角度傳感器檢測達到最低點時，電磁鐵再次給永久磁鐵一個動力，擺桿便會向右擺動，同時也會比上一次擺動的高度要高，這樣反復在最低處施加斥力，擺桿就能越擺越高，當斥力最大時，此時所給的動能能夠讓擺桿擺到一個最大高度。經過測試，該方案測得最大擺角可達到55°，滿足設計的最大45°擺角要求。因此，采用此方案設計系統的運動裝置。

2.3 角度控制

實際測試表明:當電磁鐵給永久磁鐵最大斥力時，擺角能夠擺到55°。當給不同大小的斥力時，擺角就能擺到不同的角度。在最初以最大斥力讓擺桿首先起振擺動，同時用角度傳感器(電位器)監測擺桿所擺到的角度，當角度傳感器檢測超過所設定的角度時，用PWM控制使電壓減小，電磁鐵所給動能也相應減小，從而使擺角逐漸減小。當小于指定角度時，利用PWM控制輸出使斥力增大，動能增大，使擺角增大，最后系統經過調節會輸出一個合適的電壓，使擺角恒定，從而達到角度控制的作用。

2.4 周期控制

2.5 角度與周期綜合控制

角度與周期同時控制時需在系統設計的基礎上增加第4個輔助磁鐵，如圖2所示。

首先使擺角擺到指定角度略大一點的角度，此時它的周期在0.5 s左右，當角度傳感器檢測到一個指定角度(輔助磁鐵所能受到力的角度)，輔助磁鐵4開始產生一個較小的斥力，使擺桿運動速度慢慢減小，角度傳感器檢測到達到指定角度時，輔助磁鐵4會變成一個吸引力，吸住擺桿，延時一段時間慢慢釋放，在經過最低點時，主磁鐵再次給擺桿一個動能，使擺桿擺到所設角度，經過右邊小磁鐵稍微改變它的下降速度，再次擺到左指定角度，輔助磁鐵4吸住，延時一段時間釋放，這樣來實現角度與周期綜合控制的要求。周期的時間主要取決于輔助磁鐵4吸住擺桿的時間。

3 測試方案與測試結論

3.1 測試方案

擺幅測試:1)量角器測量。利用系統自帶量角器進行測量。擺動穩定后，目測并記錄擺動角度。2)系統內單片機測量。首先對擺角轉換成的AD值進行標定并存儲在內部ROM。擺動穩定后，單片機將最大擺角所轉換AD值與標定值進行比對，從而讀出擺角。

周期測試:1)秒表(10 ms級)測量。擺動穩定后，使用秒表測量20個擺動周期的累積時間T1，單個擺動周期由T=T1/20計算得到。2)系統內測量。利用系統單片機自帶定時器，記錄穩定后，測量20個擺動周期的累積時間T1，單個擺動周期由T=T1/20計算得到。

3.2 測試結果及分析

電磁控制單擺運動系統測試結果及數據見表1。

由表1測試數據可以得出:1)4個電磁鐵組成的動力系統配合角度傳感器來控制擺桿運動方向和擺動幅度，通過角度傳感器的反饋值，可以對4個電磁鐵進行良好的控制，但是仍然有誤差，對所加的電壓不能控制在較好的線性范圍變化。2)本系統如果找到對周期或者擺幅影響的主要因素，單獨對周期、擺幅進行控制比較簡單。3)綜合控制擺幅和周期，主要影響控制效果的變量往往相互矛盾(如希望周期大要求中間磁鐵斥力小、兩邊磁鐵吸力大，而希望擺幅大則要求中間斥力大、兩邊吸力小)，往往要研究新的控制方法才能達到設計要求，所以編程難度很大。

表1 周期擺腳綜合測試結果

綜上所述，本設計器件選擇獨特，硬件結構與軟件設計相對比較復雜，基本達到設計要求。

［1］張勇.ARM原理與C程序設計［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2009.

［2］黃智偉.全國大學生電子設計競賽常用電路模塊制作［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［3］黃志偉，王彥，陳文光，等.全國大學生電子設計競賽訓練教程［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［4］黃志偉.全國大學生電子設計競賽電路設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［5］張崇巍，李漢強.運動控制系統［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2002.

［6］徐愛華.單片機應用技術教程［M］.北京:機械工業出版社，2003.