《孙张明--载重平台调整系统 (2).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《孙张明--载重平台调整系统 (2).doc（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 承载平台平衡调整系统 数理信息学院 电信081 孙张明摘要：本系统采用C8051F020单片机作为主控芯片，使用倾角传感器SCA100T检测平台倾角，直线电动推杆提供动力输出。选用NOKIA5110液晶屏作为角度显示输出，4*4矩阵小键盘作为角度设定输入；也可以通过2.4G无线芯片进行角度设定输入。机械方面采用8mm木板作为承重平台，水平滑轨和球形关节提供所需的自由度，同时保证各个部件有足够的机械强度。控制方面采用大角度时，采用全速运行模式；小角度时，用增量式PID算法进行微调，实现平台的高精度控制，同时消除震荡。通过测试和论证，系统可满足基本要求和大部分所有发挥部分所列之要求，并有创新。关
2、键字：倾角传感器；直线电动推杆；增量式PID控制；C8051F020单片机一、引言承载平台平衡调整系统可以看作是以倾角传感器为反馈的伺服控制系统。本系统可分为两部分，一部分是通过机械结构将电机的平动和转动转换为平台的角度，另一部分是通过倾角传感器的测量值经过计算反馈调节动力机构的运动，到达并稳定在目标角度。机械上需要固定一个平面至少需要三点连接，从机械加工的精度和控制的复杂度方面考虑，三点连接最容易实现，所以本方案优先考虑使用三点连接平台。若固定此三点在地面的投影，则平台处连接需要两个转动自由度和一个相对与平面的平动自由度。以机械简明可靠考虑，选择固定三个支撑部分相对地面位置和角度，三点与平台
3、有两个转动和一个平动的被动自由度。通过两个直线电动推杆的伸长与收缩控制平台两个方向的抬升和下降。从理论上分析，必须有两个矢量方向不重和的倾角传感器才可以测量平台当前的倾角。简明起见，方案采用倾角传感器SCA100T进行X轴和Y轴两个矢量方向的角度检测。二、方案论证1.机械结构承载平台平衡调整系统题目要求实现一个数控的倾角可调的矩形承载平台，因此机械结构的设计是该题目方案设计的一个重要的组成部分。在机械结构方面得到如下两个方案。方案一：使用伺服电机实现类似云台的机械结构。此方案的优点在于结构简单，易于加工。但是此方案存在明显的不足，由于云台结构使用单点进行连接，势必会对连接处的电机提出很高的要求
4、。方案二：平台采用三点支撑，支撑点张成一个等边三角形。此方案相较前一方案将受力平均分配到三个支撑脚上，减小了对电机的负荷。这样能够在最短的运动行程内实现题目要求的30范围，效率最高。但在机械结构的设计和平衡算法的处理方面却显得有些麻烦。方案三：平台采用三点支撑，支撑点张成一个等腰直角三角形。此方案相较前一方案，虽然这样在工作效率上不是最优，但是相较于最优的等边三角形，当等边三角形边长与直角三角形直角边等长时，支撑杆伸长相同距离导致的倾角变化仅减小约1.45%，同时在机械结构的设计和平衡算法的处理方面都得到极大的便利。从整体考虑，最终我们采用方案三。在动力装置方面，我们采用直线电动推杆，该装置可
5、提供10-100kg的推力、100mm的行程和0.5-1.5cm/s的速度。如何将直线运动转化为平面角度的改变是机械设计的核心问题。基本思路是用滑轨和磁性球形关节实现，使一个支点支撑住平台，另外两个支点可在以该点为交点的相互垂直的两轴上运动。这样大大方便了我们进行机械结构的设计和平衡算法的处理。图1 机械示意图2.电机驱动模块方案一：采用L298驱动。虽然简便而且成本低廉，但由于它们的内阻较大，在控制大电流的马达时芯片常常过热，导致系统的整体效率较低。常用的H桥芯片L298N的额定输出电流（1A）， 当我用两个L298模块进行驱动测试时，发现电压明显拉低，电流不能达到驱动要求。因为系统使用的动
6、力输出机构为两个直线电动推杆，额定电压12V，最大电流3.0A。故此方案不行。方案二：自行设计大电流、高耐压的H桥电路。使用两片IR2104半桥驱动器 和四片IRF540 MOS管组成全桥，驱动一路直线电动推杆。IR2104通过自举电路来给NMOS提供驱动电压，使用起来最方便，驱动起来不用考虑太多问题。IRF540最大耐压为100伏，驱动电流28安培，完全满足直线电动推杆的负载要求。经测试，该H桥电路带负载能力和频率特性良好，符合设计要求。故采用方案二。3.角度检测模块方案一：采用 SCA60C倾角传感器。SCA60C通过检测重力加速度在被测轴上的分量得到被测轴相对于水平面的倾角，可提供约22
7、mv/度的模拟输出。此芯片只有模拟输出，所以必须要用AD检测模块对其进行电压检测，而且输出角度的精度与其供电电压相关，如果外部供电电压不稳的话，势必会影响角度的检测精度。方案二：采用SCA100T高精度双轴倾角传感器检测。此倾角传感器此传感器为数字 SPI输出模式，测量分辨力可达 0.003度，具有灵敏度极高，抗冲击，抗震动等诸多优点。通过改变角度来改变其输出电压，具有良好的线性变化。如果采用SPI输出模式，其检测精度将不会受外部供电电压波动的影响，有利于角度精确的检测。而且还省去了AD采样模块，方便实用。经过比较，方案二精度高，易于检测，简化了系统结构，故采用方案二。4.调平算法的设计调平算
8、法由两部分构成。如果当前角度和目标角度之差为大角度时(如大于等于5)，电机采用全速运行模式； 如果当前角度和目标角度之差为小角度时，用增量式PID算法进行微调，以当前角度和目标角度之差乘以系数作为电机的PWM占空比。由于直线推杆的减速比很高，推进速度较慢，惯性较大，对PWM占空比改变的响应时间较普通直流电机更长。因而单纯使用PID算法很容易产生过冲并在平衡点震荡。同时，倾角传感器的输出会有约0.3的波动，故当角度误差在目标角度的0.5内，电机就停止，从而实现平台的高精度控制，同时消除震荡。三、电路和程序设计1.整体电路设计 图2 整体电路系统框图2.程序流程图 图3 程序流程图四、测试方案与测
9、试结果测试仪器：水平仪（分辨率0.1度）、秒表、1KG重物、2KG重物1. 角度测量角度测量采用分辨率为0.1的数显水平仪作为参考。将数显水平仪置于载物平台上靠近转轴的夹角处测量，设置载物平台使达到特定角度，分别读取承载平台和数显水平仪所显示的数值，和设定值进行比较，绘制的表格见下图。经测试，本方案能够达到的精度可达1.0。（1） 短边倾斜测试表格设定角度显示角度测量角度测量误差实际误差20.0 20.2 20.8 -0.6 -0.8 10.0 10.1 9.90.20.1 0.0 0.2 0.1 0.1 -0.1 -10.0 -9.9 -10.3 0.4 0.3 -20.0 -19.8-20
10、.7 0.9 0.7 （2）长边倾斜测试表格设定角度显示角度测量角度测量误差实际误差20.0 20.1 20.7 -0.6 -0.7 10.0 10.1 10.1 0.0 0.0 0.0 0.20.1 0.1 -0.1 -10.0 -9.9-10.1 -0.2 0.1 -20.0 -19.8 -20.2 0.4 0.2 2. 速度测量速度测量使用秒表对恢复水平的时间进行测量，测量三次取平均数值。调平时间测量表格（单位：秒）转动边及方向转动角度第一次第二次第三次平均值最大值短边上升-2008.848.638.568.678.84短边下降+2006.236.546.696.516.69长边上升-2
11、009.6710.1210.2910.0310.29长边下降+2008.678.539.128.779.95从极限角度上升259.1210.589.439.7110.58从极限角度下降2510.4310.5410.3210.4310.54 3. 带负载能力测量带负载能力测量使用相应重物进行测试。将相应重物置于承载平台距转动轴最远的夹角处，分别进行角度和速度的测量。经测试，本方案能够达到并超过题目扩展要求的1kg带负载能力。实测在负载2kg时，平台的工作状态与空载时无明显区别，依然能够满足并超过题中扩展部分对精度和速度的要求。五、结论经验证，本方案可以完成题目绝大部分指标要求，部分指标超额完成。系统运行稳定、迅速、可靠，机械设计强度足够。通过本次比赛，我在机械结构设计等方面学到了很多，同时对MOS管驱动等模块有了进一步的深入学习。在自动控制理论方面有了新的认识，从本次比赛中汲取的经验和发现的不足也使我受益匪浅。六、附录 图4 MOS管驱动电路 图5 整体图片 图6 主控器 图7 遥控手柄
