懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(E題)2005

8/15/20241一、任務(wù)設(shè)計(jì)一電機(jī)控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜（仰角≤100度）的板上運(yùn)動(dòng)。在一白色底板上固定兩個(gè)滑輪，兩只電機(jī)（固定在板上）通過(guò)穿過(guò)滑輪的吊繩控制一物體在板上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍為80cm×100cm。物體的形狀不限，質(zhì)量大于100克。物體上固定有淺色畫(huà)筆，以便運(yùn)動(dòng)時(shí)能在板上畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡。板上標(biāo)有間距為1cm的淺色坐標(biāo)線(xiàn)（不同于畫(huà)筆顏色），左下角為直角坐標(biāo)原點(diǎn),示意圖如下。懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)8/15/20242二、要求1.基本要求（1）控制系統(tǒng)能夠通過(guò)鍵盤(pán)或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)；（2）控制物體在80cm×100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度不小于100cm，物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠在板上畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡，限300秒內(nèi)完成；（3）控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運(yùn)動(dòng)，限300秒內(nèi)完成；（4）物體從左下角坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，在150秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(兩點(diǎn)間直線(xiàn)距離不小于40cm)。8/15/202432、發(fā)揮部分（1）能夠顯示物體中畫(huà)筆所在位置的坐標(biāo)；（2）控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)示意圖)，曲線(xiàn)在測(cè)試時(shí)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)出，線(xiàn)寬1.5cm～1.8cm，總長(zhǎng)度約50cm，顏色為黑色；曲線(xiàn)的前一部分是連續(xù)的，長(zhǎng)約30cm；后一部分是兩段總長(zhǎng)約20cm的間斷線(xiàn)段，間斷距離不大于1cm；沿連續(xù)曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)限定在300秒內(nèi)完成；（3）其他。8/15/20244三、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

項(xiàng)目滿(mǎn)分基本要求設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告：方案比較、設(shè)計(jì)與論證，理論分析與計(jì)算，電路圖及有關(guān)設(shè)計(jì)文件，測(cè)試方法與儀器，測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析。50實(shí)際制作完成情況50發(fā)揮部分完成第(1)項(xiàng)10完成第(2)項(xiàng)中連續(xù)線(xiàn)段運(yùn)動(dòng)14完成第(2)項(xiàng)中斷續(xù)線(xiàn)段運(yùn)動(dòng)16其他108/15/20245四、說(shuō)明1、物體的運(yùn)動(dòng)軌跡以畫(huà)筆畫(huà)出的痕跡為準(zhǔn)，應(yīng)盡量使物體運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡吻合，同時(shí)盡量縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)間；2、若在某項(xiàng)測(cè)試中運(yùn)動(dòng)超過(guò)限定的時(shí)間，該項(xiàng)目不得分；3、運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差超過(guò)4cm時(shí)，該項(xiàng)目不得分；4、在基本要求(3)、(4)和發(fā)揮部分(2)中，物體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)前，允許手動(dòng)將物體定位；開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后，不能再人為干預(yù)物體運(yùn)動(dòng)；5、競(jìng)賽結(jié)束時(shí)，控制系統(tǒng)封存上交賽區(qū)組委會(huì)，測(cè)試用板(板上含空白坐標(biāo)紙)測(cè)試時(shí)自帶。8/15/20246題目分析對(duì)題目進(jìn)行綜合分析，進(jìn)一步了解本題的主要任務(wù)、功能。一、任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（繪圖儀），實(shí)現(xiàn)繪圖和巡線(xiàn)運(yùn)動(dòng)等功能二、系統(tǒng)功能系統(tǒng)可劃分為控制部分和信號(hào)檢測(cè)部分。8/15/20247參考方案（《全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)》黃智偉編著，北京航空航天大學(xué)出版社）懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案控制部分：電動(dòng)機(jī)A和電動(dòng)機(jī)B的驅(qū)動(dòng)模塊、坐標(biāo)參數(shù)顯示模塊、控制器模塊、按鍵輸入模塊。信號(hào)檢測(cè)部分：黑線(xiàn)檢測(cè)模塊8/15/20248控制器模塊控制器模塊主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器信號(hào)的接收、控制物體的運(yùn)動(dòng)、控制顯示畫(huà)筆所在的位置的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，以及物體在停止時(shí)發(fā)出的光電報(bào)警等。控制器模塊的方案一：采用采用FPGA為系統(tǒng)的控制器，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。通過(guò)輸入模塊將參數(shù)輸入給FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，但是由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線(xiàn)復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。8/15/20249以FPGA核心的控制系統(tǒng)方框圖

8/15/202410控制器模塊的方案二采用AT89S51作為系統(tǒng)控制的方案。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。并且，由于芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。因此，在本設(shè)計(jì)中采用AT89S51處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。采用方案二8/15/202411單片機(jī)控制系統(tǒng)方框圖8/15/202412驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇方案一：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無(wú)級(jí)調(diào)速）、調(diào)速范圍寬、低速性能好（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流?。⑦\(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、效率高等方面。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移，步進(jìn)電機(jī)具有控制簡(jiǎn)單、定位精確、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn)。在運(yùn)行時(shí)噪音大、高速扭矩小、啟動(dòng)頻率低、價(jià)格較高。步進(jìn)電機(jī)具有快速起停能力，轉(zhuǎn)換精度高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，非常適合定位控制系統(tǒng)?；谏鲜霰容^，步進(jìn)電機(jī)作為傳動(dòng)裝置。8/15/202413電機(jī)的型號(hào)負(fù)載為100g，最大有功力矩為0.0221N.m。選用型號(hào)為17PU-HO12-G1UT的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，完全可以達(dá)到轉(zhuǎn)矩的要求。8/15/202414按鍵輸入模塊需要設(shè)置0-9數(shù)字鍵盤(pán)、小數(shù)點(diǎn)和一些功能鍵，以完成控制系統(tǒng)能夠任意設(shè)定坐標(biāo)參數(shù)的功能。采用4×4矩陣鍵盤(pán)。單片機(jī)與鍵盤(pán)連接簡(jiǎn)單，程序編寫(xiě)容易。8/15/202415顯示模塊LCD（液晶顯示屏）具有功耗低，無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示、影像穩(wěn)定，可視面積大，畫(huà)面效果好，可顯示圖形和漢字，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，顯示內(nèi)容多等特點(diǎn)。采用液晶顯示器，型號(hào)為RT12864-M。8/15/202416黑線(xiàn)模塊利用光電傳感器辨認(rèn)黑線(xiàn)。根據(jù)光敏三極管檢測(cè)反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷黑白線(xiàn)。可使用一個(gè)反射光源和一個(gè)光敏三極管和簡(jiǎn)單的放大電路。實(shí)現(xiàn)成本低，靈敏度可調(diào)節(jié)，可靠性高。8/15/202417光電傳感器檢測(cè)的原理框圖

8/15/202418步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用硅材料互補(bǔ)達(dá)林頓晶體管TIP142T實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)接口可通過(guò)光耦元件連接。8/15/202419采用TIP142T實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理框圖

8/15/202420系統(tǒng)組成控制模塊:采用AT89S52單片機(jī)控制；電機(jī)選擇模塊：采用17PU-HO12-G1UT的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)；鍵盤(pán)模塊：采用4×4矩陣鍵盤(pán)；顯示模塊：采用液晶顯示器，型號(hào)為RT12864-M；黑線(xiàn)檢測(cè)模塊：采用反射式光電傳感器；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用硅材料互補(bǔ)達(dá)林頓晶體管TIP142T實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)8/15/202421系統(tǒng)的基本框圖

8/15/202422循跡電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，懸掛物體要沿著黑線(xiàn)運(yùn)行，采用反射式光電傳感器進(jìn)行探測(cè)。光電傳感器的硬件設(shè)計(jì)如圖所示。電壓比較器LM393的同相輸入Ⅴin拉低，輸出為低電平。當(dāng)檢測(cè)到黑線(xiàn)時(shí)，接收管截止，同相輸入Ⅴin為高，比較器輸出為高電平。本系統(tǒng)中四個(gè)傳感器的OUT分別連接P1.0～P1.3。8/15/202423循跡電路8/15/202424電源部分電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中使用了直流12V電機(jī)，其額定工作電壓為12V，而單片機(jī)額定工作電壓為5V，所以電路中采用了7805和7812作為穩(wěn)壓模塊，其最大輸出電流為1.5A，滿(mǎn)足系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的要求，其電路。8/15/202425電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)接受到相應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)時(shí)，單片機(jī)轉(zhuǎn)到中斷口處理信息，PWM信號(hào)處于停發(fā)狀態(tài)。將單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)光電隔離器耦合后，控制L298驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、制動(dòng)。原理圖如圖所示。8/15/202426單片機(jī)將P1.2、P1.5作為輸出控制使能端,P1.2、P1.6作為電機(jī)一的控制端,P1.3、P1.5作為電機(jī)二的控制端。L298的兩個(gè)控制端（C、D）的工作情況由表1列出（Ven為使能端）。表L298控制表輸入功能Ven=HC=H;D=L正轉(zhuǎn)C=L;D=H反轉(zhuǎn)C=D制動(dòng)Ven=LC=×D=×停止8/15/2024274×4鍵盤(pán)電路原理圖根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了標(biāo)準(zhǔn)的4×4鍵盤(pán)，其電路原理圖如圖所示。圖中C1～C4為4×4鍵盤(pán)的列信號(hào)，L1～L4為4×4鍵盤(pán)的行信號(hào)。在本系統(tǒng)中，用P0.0～P0.3連接鍵盤(pán)的列信號(hào)C4～C1；用P0.4～P0.7連接鍵盤(pán)的行信號(hào)L4～L1。8/15/202428顯示模塊設(shè)計(jì)顯示部分電路由MAX7219、數(shù)碼管組成。采用6個(gè)LED管進(jìn)行X軸坐標(biāo)顯示、Y軸坐標(biāo)顯示。其電路圖如圖所示。8/15/202429原理框圖8/15/2024308/15/2024314×4鍵盤(pán)功能圖

8/15/202432主程序8/15/2024338/15/2024348/15/202435系統(tǒng)硬件連接圖8/15/202436電源模塊8/15/202437單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖8/15/202438L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊

8/15/202439日本美培亞MINEBEA步進(jìn)電機(jī)馬達(dá)FK2-037717PU-H502-P4VS

8/15/202440進(jìn)口MINEBEAMOTOR17PS-M011-01V2相4線(xiàn)42步進(jìn)電機(jī)步距角：3.6°（100步/周），電壓12V,電流0.3A，電阻40歐，靜力矩：2000g*cm(0.2N*M)，空載轉(zhuǎn)速可達(dá)到2000rpm2相4線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)，尺寸42*42毫米，高度30毫米，軸突出部分長(zhǎng)12毫米，軸直徑約3毫米。引線(xiàn)長(zhǎng)約16厘米

8/15/2024418/15/202442步進(jìn)電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)有步距角（相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。

1、步距角的選擇

電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。

2、靜力矩的選擇

步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）

8/15/2024433、電流的選擇

靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線(xiàn)圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）

4、力矩與功率換算

步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：

P=

Ω·M

Ω=2π·n/60

P=2πnM/60

其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米

P=2πfM/400(半步工作）

其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)PPS)

8/15/2024448/15/2024458/15/2024468/15/2024478/15/2024488/15/2024498/