电磁控制运动装置设计

摘要：设计一种电磁控制运动装置，通过安装在摆杆上的角度传感器SCA100实时测量摆杆角度，单片机将测量角度与给定角度比较通过PID算法计算出控制量来调节输出PWM波的占空比，经过L298N驱动电路后实现对电磁铁线圈电流控制，进而调节电磁力的大小完成对设定的摆杆摆角与周期的控制。装置能够实时显示摆角、预置摆角、测量周期、预置周期。

关键词：电磁控制；SCA100；脉宽调制；摆角；周期

中图分类号： TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）16-3937-04

Abstract： Designing a electromagnetic control moving device. Sensor SCA100 on pole detects swing-pole angle in real time. MCU compares measured angle and set angle， then adjusts duty cycle of the PWM by PID algorithm， the PWM pulse controls current of electromagnet coil by L298N drive circuit， adjusting electromagnetic force to control swing-poles angel and period required. This device functions includes displaying swing-angle， set angle， detect period， set period of swing.

Key words： Electromagnetic control； SCA100； Pulse width modulation； Swing angle； period

设计一个电磁控制运动装置，该装置由电磁控制装置、摆杆等部分构成。要求按下启动按钮，由静止点开始，控制摆杆摆动；由静止点开始，控制摆杆在指定的摆角10°～45°范围内连续摆动，摆动摆角绝对误差≤5°；由静止点开始，按指定周期0.5s～2s范围内控制摆杆连续摆动，摆动周期绝对误差值≤0.2s，响应时间≤15s。在摆杆连续摆动的情况下，按下停止按钮，控制摆杆平稳地停在静止点上，停止时间≤10s。如图1所示。

1 摆杆控制原理

摆杆在不受外力的情况下，由于重力作用垂直向下，所以摆杆处于静止点。当摆杆上固定的磁铁受到下方电磁铁互斥电磁力作用时，使摆杆摆动，摆杆经过静止点后控制电磁铁电流和方向产生一个大小可控的电磁力，使摆杆在静止点两侧做连续摆动，通过角度传感器实时检测摆杆摆角，不断改变电磁铁线圈电流的大小，控制摆杆角度。通过摆杆上方的量角器可观测出摆杆摆角。

角度测量使用了VTI公司生产的硅基加速度传感器SCA100T-D02[1]，其主要性能指标：双轴向倾角测量；测量灵敏度1.2V/g；+5V单电源供电，两个比例电压输出，内置11位AD转换器；兼容SPI的数字输出；该传感器的每个轴可以检测0～90°度之间的倾角。元件如图2。

2 电磁铁电流控制的分析与计算

2.1 电磁铁电流控制

为了控制摆杆摆动角度，需要控制电磁铁的电流大小和方向。系统通过单片机输出PWM波控制加在电磁铁线圈上的电压[2]。采用定频调宽法实现对电磁铁线圈端电压控制。定频调宽法中高、低电平时间之和TH+TL=T保持一定，使TL在0～T范围内变化。通过调节高电平时间变长，低电平时间变短，产生的PWM脉冲占空比线性增大，使加在电磁铁上的平均电压增大，摆杆受到斥力增加摆动角度增大，反之则减小，实现摆杆转角从10°到45°变化。为了更好地稳定摆杆摆角与周期采用了PID控制算法实现单片机对摆杆角度稳定控制。

2.2 数字PID控制算法的计算

反馈[e]代表给定值角度与实际角度的偏差，这个偏差值被送到控制器，控制器算出偏差差信号的比例值、积分值和微分值，并将它们进行线性组合，得到输出控制量[u]公式（1）。PID控制过程如图3。

[u（k）=KPΔe（k）+KIΔe（k）+KDΔe（k）+Δe（k-1）] （1）

其中，[KP]、[KI]、[KD]分别称为比例系数、积分系数、微分系数。通过对给定值与实时采样值比较值偏差[e（k）]进行PID运算得到输出控制量[u（k）]作为控制量（PWM波的占空比）控制电磁铁电磁力大小。

3 系统设计

3.1 系统总体方案

系统总体框图包括主控单元、驱动模块、电磁控制模块、摆杆摆角检测模块液晶显示模块、电源模块、键盘等电路。系统总体框图如图4所示。

3.2 单片机控制电路

系统以STC89C52RC为控制主芯片，它是一个低功耗、高性能CMOS 8位单片机，内置8k字节可反复擦写的Flash ROM和256 B RAM，适合于许多较为复杂控制应用场合[3]。

3.3 LCD显示及键盘电路

3.3.1 LCD显示电路

选用LCM12864ZK为控制器的液晶显示屏，分辨率为128×64，可显示8×4行汉字，以构成全中文人机交互图形界面。LCM12864ZK以串行方式与单片机通信。这种方式可以大大节省单片机的硬件资源，同时显示方式是静态的可以提高单片机的执行效率[4]。

3.3.2 键盘电路

采用4个独立式按键 S1、S2、S3、S4构成键盘接口。其中 S1为启动/停止键，进行手动切换；S2为加一键；S3为减一键；S4为摆角/周期设定键[4]。

3.4 摆角监测电路

角度传感器SCA100通过串行方式与单片机完成角度数据传输[5-7]，SCK与单片机p3.0位连接作为串行时钟信号，MOSI和MISO分别于单片机的P3.1和P3.2连接进行串行数据传输，电路结构紧凑，占用单片机资源少，芯片能够直接把检测到的角度转换为数字量，送入单片机作为实时测量摆杆角度数据。电路如图5所示。

3.5 电磁控制驱动电路

驱动电路如图6所示[8]。该驱动电路构成两路送出PWM波，驱动功率大，驱动能力强。IN1、IN2分别接单片机p3.3和p3.4引脚，ENA使能信号接单片机p3.5，在H3端子接电磁铁线圈。单片机控制IN1和IN2极性可以控制输出电压极性，通过ENA控制电路输出PWM波的占空比。这样就可以对电磁铁线圈内电流大小和方向进行控制。

4 软件设计主流程

主流程图如图7所示。

5 结论

通过实验电路证明对设定的不同摆角和周期数据测试结果符合要求，此外装置有进一步改进的空间，可以通过再程序设计进一步提高系统的快速响应特性和精度。

参考文献：

[1] SAC100-D02 datasheets [EB/OL] www.DatasheetCatalog.com

[2] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[3] 郭天祥.51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2010.

[4] 蔺鹏.帆板自动控制系统设计[J].兰州工业高等专科学校学报，2012，19（2）：27-29.

[5] 唐原广，赵曙东.基于单片机的倾角测量系统设计[J].微计算机信息，2007，23（3）：95-97.

[6] 李加念.基于光电和倾角检测的全天候太阳跟踪传感器设计[J].传感器与微系统，2014，33（4）：83-86.

[7] 王盛军，邵琼玲.基于SCA100T和MCU数字倾角传感器的设计与实现[J].传感器与微系统， 2010，26（8）：90-91.

[8] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛培训教程（修订版）[M].北京：电子工业出版社，2010.