基于MCU控制的自動(dòng)平衡吊具

1 吊具機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理簡(jiǎn)述

為進(jìn)行快速的裝配體設(shè)計(jì)，吊具機(jī)械結(jié)構(gòu)使用Solid Works進(jìn)行裝配體建模，各部分的配置及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

吊具本身由機(jī)架(兼做y向?qū)к?、y向電機(jī)、y向絲杠、中間滑板組件(含x向?qū)к?、x向電機(jī)、x向絲杠、吊耳組件(4個(gè))、手輪(4個(gè))、吊環(huán)組件、吊索等部分組成。

傾斜傳感器安裝在機(jī)架上，傳感器的工作方向分別與吊具的x、y方向平行，系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)控制器讀取傾斜傳感器測(cè)出的機(jī)架傾斜數(shù)據(jù)(傳感器的俯仰角和橫滾角的數(shù)據(jù)分別代表吊具在x、y向的機(jī)架傾斜狀況)，當(dāng)測(cè)出的數(shù)據(jù)需要吊索沿x方向移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)控制器根據(jù)吊索的當(dāng)前位置和需要的位移量，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的速度和方向的控制信號(hào)，x向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)系統(tǒng)控制器輸出的控制信號(hào)，以合適的電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速啟動(dòng)x向電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)x向絲杠帶動(dòng)吊環(huán)組件完成指定幅度的移動(dòng)；當(dāng)需要吊索沿y方向移動(dòng)時(shí)，y向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)系統(tǒng)控制器輸出的控制信號(hào)以合適的電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)方向和合適的轉(zhuǎn)速啟動(dòng)y向電機(jī)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)y向絲杠帶動(dòng)中間滑板組件完成指定幅度的移動(dòng)。

在吊具運(yùn)行狀態(tài)下，x，y向的控制過(guò)程是同時(shí)且連續(xù)進(jìn)行的，直至吊具調(diào)平。
轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，可以帶動(dòng)小絲杠調(diào)節(jié)滑塊在x軸方向上的位置，以適應(yīng)不同大小的被吊件。

2 控制系統(tǒng)概述

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，這里把整個(gè)系統(tǒng)按照檢測(cè)、控制、通信、執(zhí)行的順序劃分成四大塊，各部分的工作如下：

檢測(cè)部分：主要包括傾角和接近傳感器等硬件。其中前者用于獲得吊具的俯仰角和橫滾角并傳送給SP2539的子串口，為下位機(jī)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，計(jì)算移動(dòng)行程提供依據(jù)。后者分為軟件停機(jī)傳感器組和機(jī)械斷電傳感器組，采用雙重制動(dòng)策略，保障吊具在使用過(guò)程中平穩(wěn)調(diào)平和安全使用。

控制部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)嵌入式系統(tǒng)是控制機(jī)構(gòu)的核心部件，首先接收檢測(cè)部分的輸出值，包括吊具的實(shí)時(shí)姿態(tài)、軟件停機(jī)傳感器組狀態(tài)，同時(shí)調(diào)用子程序，處理輸入信號(hào)并給出動(dòng)作信號(hào)給1、2號(hào)變頻器，使x，y向電機(jī)遵循指令進(jìn)行動(dòng)作。最后，單片機(jī)還需要和上位機(jī)設(shè)備進(jìn)行交流，方便操作人員隨時(shí)掌握系統(tǒng)的狀態(tài)。

通信部分：這部分解決單片機(jī)分別與檢測(cè)機(jī)構(gòu)、上位機(jī)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信息傳輸。具體的講，主要是指單片機(jī)與傾角和接近傳感器、上位機(jī)調(diào)平控制指令、1、2號(hào)變頻器輸出頻率、角度顯示以及SP2539串口擴(kuò)展系統(tǒng)之間的信息傳輸。