自由摆平板系统高精控制设计

侯涛赵贺

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

本文以2011年全国大学生电子设计竞赛题目为背景，设计并制作了一个自由摆平板控制系统。其结构是将摆杆的一端通过转轴固定在一支架上;另一端固定安装一台电机，并将平板固定在电机转轴上。当摆杆摆动时，驱动电机可以控制平板自由转动。

系统的基本要求是:通过控制电机，使平板可以随着摆杆的摆动而旋转3～5个周期;摆杆摆动一个周期平板旋转一周，偏差绝对值不大于45°;用手推动摆杆至30°～60°之间的角度θ，在平板中心稳定放置1枚或8枚1元硬币，启动后放开摆杆让其自由摆动;在摆杆摆动过程中，要求硬币不从平板上滑落。

在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150 cm距离处垂直放置的靶子上。当摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标志此线为中心线。手动推动摆杆至30°～60°之间的角度θ，启动后，系统应在15 s内控制平板并尽量使激光笔照射在中心线上，完成后以LED指示。

1 系统整体方案设计

充分利用各模块的优势，最终设计的系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 Structure of the control system

该自由摆平板控制系统由数据采集模块、调理电路模块、步进电机驱动模块和LED显示模块等部分构成。系统通过光电编码器的检测获得自由摆的转角［2-5］，通过算法程序换算得到平板应该转动的方向与角度，并产生相应的控制量;通过驱动模块使步进电机转动［6-7］，从而带动平板转动，达到平板的平衡状态。……