懸掛運動控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計

1、機械創(chuàng)新設(shè)計課程設(shè)計2機械創(chuàng)新設(shè)計說明書 懸掛運動控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計 院（系） 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 機械電子工程 班 級 11機電2班 學(xué) 生 李楠 任課老師 嚴天宏 2014 年 12 月 15 日目錄1摘 要32系統(tǒng)設(shè)計要求43方案設(shè)計53.1控制方案選擇53.2電機選擇63.3電源部分方案選擇73.4尋線機構(gòu)設(shè)計以及TRIZ理論應(yīng)用73.5其它部件的機構(gòu)選擇93.5.1頂部滑輪93.5.2傳輸線93.5.3電機軸套93.5.4重物104軟件設(shè)計104.1點到點移動的設(shè)計114.2畫圓方案設(shè)計124.3自定義軌跡設(shè)計方案124.4實時顯示點坐標(biāo)設(shè)計方案134.5尋跡程序設(shè)計135部分程序附

2、錄146參考資料157致謝161 摘 要在現(xiàn)代的工業(yè)控制、車輛運動和醫(yī)療設(shè)備等系統(tǒng)中，懸掛運動控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，在這些系統(tǒng)中懸掛運動部件通常是具體的執(zhí)行機構(gòu)，因而懸掛部件的運動精確性是整個系統(tǒng)工作效能的決定因素，而在實際中實現(xiàn)懸掛運動控制系統(tǒng)的精確控制是非常困難的?？扛淖儜覓毂豢貙ο蟮睦K索長短來控制被控對象運動軌跡的懸掛運動控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)控制等領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用范圍，但受技術(shù)上的制約，使用也有一定限制。懸掛軌跡控制系統(tǒng)是一電機控制系統(tǒng)，控制物體在80cm*100cm的范圍內(nèi)作直線、圓、尋跡等運動，并且在運動時能顯示運動物體的坐標(biāo)。設(shè)計采用STM8單片機作為核心器件實現(xiàn)對物體運動軌跡的自動

3、控制，通過多圈電位器實現(xiàn)對懸掛物位置的精確測量，并引入局部閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)對誤差進行修正。以達到對物體的控制和對坐標(biāo)點的準(zhǔn)確定位。采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制直流電機驅(qū)動芯片L298，以實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟停等多種工作狀態(tài)進行快速而準(zhǔn)確的控制。采用紅外光電傳感器實現(xiàn)檢測電機速度和畫板上黑色曲線軌跡。2 系統(tǒng)設(shè)計要求設(shè)計一個電機控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜的板上運動（仰角=100度）。在一白色底板上固定兩個滑輪，兩只電機（固定在板上）通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運動，運動范圍為80cm*100cm，物體形狀不限，質(zhì)量大于100克。物體上固定有淺色的畫筆，以便運動時能在板上畫出運動軌跡。板上標(biāo)

4、有間距為1cm的淺色坐標(biāo)線（不同于畫筆顏色），左下角為直角坐標(biāo)原點，示意圖如下：圖2.1 實物示意圖基本要求：（1）控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點參數(shù)；（2）控制物體在80cm*100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運動，運動軌跡長度不小于100cm，物體運動時能在板上畫出軌跡，限時300秒；（3）控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運動，限時300秒；（4）物體從左下角坐標(biāo)原點出發(fā)，在150秒內(nèi)到達設(shè)定的一個坐標(biāo)點（兩點間直線距離不小于40cm）擴展要求:（1）能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)；（2）控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運動，曲線在測試時現(xiàn)場標(biāo)出，線寬1.5cm-1.

5、8cm，總長度約為50cm，顏色為黑色，曲線的前一部分是連續(xù)的，長約30cm，后一部分是兩段不連續(xù)的，總長約20cm，間斷距離不大于1cm，物體沿連續(xù)曲線運動時間在200s以內(nèi)，沿不連續(xù)曲線運動時間在300s以內(nèi)。3 方案設(shè)計采用單片機作為數(shù)據(jù)處理及控制的核心,經(jīng)過驅(qū)動電路與直流電機A和電機B聯(lián)接,對被控物體做出控制,光電檢測用來檢測被控物塊的運動軌跡與預(yù)定軌跡的偏差, 再反饋給單片機, 再由單片機發(fā)出調(diào)整控制指令。根據(jù)掌握知識及實際考慮，系統(tǒng)總體框圖如圖下圖所示?？刂破鱈ED顯示44鍵盤電機A電機B尋跡部分執(zhí)行機構(gòu)電機驅(qū)動電源（12V）單片機的供電電源（5V）速度采集模塊電機驅(qū)動模塊3.1

6、控制方案選擇方案1. 閉環(huán)數(shù)字控制方式閉環(huán)數(shù)字控制方式，主要利用光電傳感器檢測法，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。首先單片機根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)來計算物體要移動的距離并控制物體往坐標(biāo)的大概方向運動，紅外發(fā)射接收器來探測懸掛物體移動了多少個1*1cm的小方格,并經(jīng)過A/D送給單片機，單片機通過特定的算法計算出物體的坐標(biāo)，并控制電機的轉(zhuǎn)動來控制物體往坐標(biāo)進發(fā)，在此過程中單片機不斷計算，不斷調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速和方向使懸掛物體做一定路線的移動。但其缺點是，電路復(fù)雜，不但要求要有A/D電路，光電探測電路，還要其電路要做得十分精確。任何一個電路設(shè)計得不好，也會使物體運動產(chǎn)生很大的偏差。 圖1 閉環(huán)數(shù)字控制方案2. 開環(huán)數(shù)字控制方

7、式開環(huán)數(shù)字程序控制方式,即沒有反饋系統(tǒng)，開環(huán)數(shù)字控制的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由圖可看出，此種控制方式與上面的控制方式少了反饋電路。單片機由輸入的數(shù)據(jù)來計算物體要移動的距離，直接發(fā)出控制脈沖來控制電機的轉(zhuǎn)動，進而控制物體的運動方向。由于少了反饋電路，系統(tǒng)的精度只與單片機所采用的算法準(zhǔn)確性有關(guān)，此種方式電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低且易于調(diào)整和維護，是一種較理想的方式。 圖2 開環(huán)數(shù)字控制方式綜合上面所述，考慮時間和調(diào)試的復(fù)雜性，本設(shè)計采用方案2。 3.2 電機選擇方案1. 直流電機。直流電機又分為直流無刷電機和直流有刷電機，是最早實現(xiàn)調(diào)速的電動機，其優(yōu)點是有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高的效率，但其數(shù)

8、字控制方面較難把握。方案2. 步進電機。步進電機是多種機電設(shè)備中被廣泛應(yīng)用的一種電機，它主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子的主要結(jié)構(gòu)是繞組。三相、四相、五相步進電機分別有三個、四個、五個繞組，其它以此類推。繞組按一定的通電順序工作著，這個通電順序我們稱為步進電機的“相序”。轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)是磁性轉(zhuǎn)軸，當(dāng)定子中的繞組在相序信號作用下，有規(guī)律的通電、斷電工作時，轉(zhuǎn)子周圍就會有一個按此規(guī)律變化的電磁場，因此一個按規(guī)律變化的電磁力就會作用在因此轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，即給一個脈沖信號，步進電動機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。另外步進電機還有動態(tài)響應(yīng)快易于起停，易于正反速及

9、變速等優(yōu)點。綜合上面所述，為易于單片機控制，本設(shè)計采用方案2。3.3 電源部分方案選擇方案一：所有器件都采用單一電源。這樣供電雖然比較簡單，但是由于電動機啟動瞬間電流很大，而且給定脈沖信號驅(qū)動的電機電流波動較大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，對單片機系統(tǒng)造成嚴重的干擾，缺點十分明顯。方案二：雙電源供電。將電機驅(qū)動電源（12V）和單片機的供電電源（5V）完全隔開，這樣設(shè)計可以徹底消除電機驅(qū)動所造成的干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；谏鲜隹紤]，所以選擇方案二。3.4 尋線機構(gòu)設(shè)計以及TRIZ理論應(yīng)用懸掛物沿曲線運動的軌跡分為兩段，連續(xù)段和間斷段。通常思路是，可采用4個光電一體化傳感器TCRT5000作

10、為檢測元件，其放置方式如下所示。14234個光電傳感器放置方式也即方案一：在連續(xù)段尋跡時，通過判斷四個傳感器的16種組合狀態(tài)，使電機作出相應(yīng)的伸縮動作。當(dāng)軌跡為間斷線時，電機拉動傳感器在大角度方向內(nèi)位移，直到在某一方向檢測到新的黑線為止。然后再調(diào)用連續(xù)段的尋跡程序。該方案不僅容易判斷失誤，導(dǎo)致往錯誤的方向行駛，而且紅外對管的數(shù)目多，接線復(fù)雜，所以不好。利用TRIZ理論的40條基本措施中的第5條聯(lián)合原則，把相同的物體或完成類似操作的物體聯(lián)合起來，該尋跡可等效為常見的尋跡小車的控制方案，于是有了方案二。方案二，使用小步進電機和兩個光電對管組合進行尋線，如下圖所示：在方案二中，首先將步進電機放在起點

11、處，并且規(guī)定前進方向為右上，當(dāng)左右紅外對管其中有一個檢測到黑線時，前進方向向該方向旋轉(zhuǎn)1度，并且步進電機也旋轉(zhuǎn)1度。該模型采自常見的尋跡小車的控制方案。只不過在前進方向上更為復(fù)雜，需要將原來的前進方向轉(zhuǎn)化為畫板上的前進方向。雖然方案二相比方案一結(jié)構(gòu)和程序復(fù)雜，但是考慮到易用性和可靠性，選擇了方案二。3.5 其它部件的機構(gòu)選擇3.5.1 頂部滑輪3.5.2 傳輸線本系統(tǒng)中采用的為魚線，因為魚線的直徑很細。在電機軸套上的疊加誤差很小，在旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不多的情況下完全可以忽略不計，而且魚線的硬度選擇上我們采用相對硬度高一些的，這樣魚線的韌性要低一些，不會有太大的彈性。在負重不大的情況下，筆劃出的曲線不會出

12、現(xiàn)太大的毛刺。3.5.3 電機軸套電機軸套的選擇主要體現(xiàn)在軸套直徑的選擇。步進電機及軸套示意圖如圖7 所示。采用兩相步進電機， 步進角為1.8/ 步，轉(zhuǎn)一圈需200 步， 軸套的直徑R 為26mm，根據(jù)圓的周長公式 C=2r, 此軸套的周長為81.68mm, 故電機的每一步移動的距離為0.408mm，在電機分時控制時，每次輸入的連續(xù)脈沖數(shù)為25 個，這樣每個電機分時運轉(zhuǎn)的距離近似認為10mm 這樣在根據(jù)運行點的坐標(biāo)來計算S1、S2 時，單片機容易計算線的長度，從而實現(xiàn)精確定位。3.5.4 重物重物重量對整個系統(tǒng)的精度有很大的影響，若重物過重，會使精度降低，在符合要求的同時，選擇重物的重量為10

13、5g，重物的重心也對系統(tǒng)的精度有影響，應(yīng)盡量使重物的重心在重物的下部。因此采用三角形狀，這樣重物的重心會偏下，能得到理想的值。畫筆應(yīng)放在掛點，這樣可以減小誤差。4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計是該設(shè)計的靈魂，所有的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)運算，產(chǎn)生電機控制信號，都是由軟件完成，軟件質(zhì)量高低直接決定系統(tǒng)的功能和精度。4.1 點到點移動的設(shè)計實現(xiàn)從一點移動到設(shè)定的坐標(biāo)點，一點坐標(biāo)和其對應(yīng)的S1，S2 線長存在如下幾何關(guān)系，如圖8所示。圖8 點到點移動原理示意圖程序先由起始點的坐標(biāo)計算出其對應(yīng)的S1，S2 值；再計算結(jié)束點對應(yīng)的s1, s2 值， 求出S1 和s1，S2 和s2 之間的差值，由其差值決定與S1，S2 對應(yīng)

14、的電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，使畫筆移動到指定坐標(biāo)點。4.2 畫圓方案設(shè)計本設(shè)計要求懸掛物能夠畫一個圓，采用微分曲線直線逼近法。首先將圓周等分為N份，將每小份弧線段等效為直線段畫出，N越大，曲線就光滑。設(shè)所畫圓的圓心坐標(biāo)為（x0,y0）半徑為固定的25cm，（x,y）為圓周上的任意一點，由此確定圓的方程為：X=x0+25sint，Y=y0+25cost，(x0,y0)為圓心坐標(biāo)這樣，則圓的坐標(biāo)僅與參數(shù)t有關(guān)，因此，使角度t以某一設(shè)定的角度步長v累加，使t=q*v在周期t,t+2內(nèi)變化，其中q為累加值。這樣就可以采樣到圓上均勻的點，顯然，角度步長v越小，在圓周上取得點越多，控制也會更

15、精確。4.3 自定義軌跡設(shè)計方案自定義軌跡的思想等同于畫圓的思想，取軌跡上的微分點，調(diào)用點到點子程序?qū)崿F(xiàn)。4.4 實時顯示點坐標(biāo)設(shè)計方案兩滾輪和待求坐標(biāo)點構(gòu)成一個三角形，由海倫公式可推導(dǎo)出高H 和三條邊（S1，S2，a1+a2） 的關(guān)系式，H=2P*(P - S1)(P - S2)(P - a1 - a2) /(a1+a2)，即可輕易推導(dǎo)出該點坐標(biāo)，具體公式和原理如圖10 所示。圖10 實時顯示點坐標(biāo)原理示意圖在程序中根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)計算出起始點的S1,S2 長度， 程序?qū)崟r存儲當(dāng)前S1,S2 當(dāng)前坐標(biāo)下的S1,S2 的值，通過上述幾何實時計算出當(dāng)前畫筆坐標(biāo)并顯示輸出。4.5 尋跡程序設(shè)計給定前進

16、方向，并朝前進方向前進。每時每刻都計算出當(dāng)前的位置，并且計算下一個位置點。下一個位置應(yīng)該是前進方向的附近點，通過不斷調(diào)整S1和S2使尋跡機構(gòu)沿近似的直線行駛。一旦左右紅外對管檢測到黑線，則旋轉(zhuǎn)紅外對管，并調(diào)整前進方向，直到行駛到終點為止。尋跡結(jié)束。5 部分程序附錄#include stm8s.h#include bujin.h#include ir.h#include 1.8tft.h#include iostm8s.h/* Private defines -*/#define hei 1#define bai 0/* Private function prototypes -*/_Bool

17、h1 PD_IDR:6;_Bool h2 PD_IDR:7;int jiaodu;/* Private functions -*/int Get_3Num(void)char i;int ir=0,num=0;for(i=0;i=360) jiaodu-=360;if(jiaodu0) jiaodu+=360;GetTo_Jiao(jiaodu);GetTo_Near(jiaodu);ir=Got_itData();if(ir=0x09f6) End=1;void Set_Start(void)int x,y;TFT_Clear(0x00,0x00);TFT_Display_String(0,

18、0,x0= ,y0= ,0xffff);x=Get_3Num();Displayd(3*8,0,x,0xffff);y=Get_3Num();Displayd(10*8,0,y,0xffff);Set_L1L2(x,y);void Set_Draw_O(void)int x,y;TFT_Clear(0x00,0x00);TFT_Display_String(0,0,x0= ,y0= ,0xffff);x=Get_3Num();Displayd(3*8,0,x,0xffff);y=Get_3Num();Displayd(10*8,0,y,0xffff);Draw_50r(x,y);void Se

19、t_Draw_a(void)int x,y;TFT_Clear(0x00,0x00);TFT_Display_String(0,0,x0= ,y0= ,0xffff);x=Get_3Num();Displayd(3*8,0,x,0xffff);y=Get_3Num();Displayd(10*8,0,y,0xffff);Draw_50a(x,y);void Set_GetTo(void)int x,y;TFT_Clear(0x00,0x00);TFT_Display_String(0,0,x0= ,y0= ,0xffff);x=Get_3Num();Displayd(3*8,0,x,0xfff

20、f);y=Get_3Num();Displayd(10*8,0,y,0xffff);GetTo(x,y);void main(void)unsigned int ir;int i;Clk_Init();ir_Init();Dianji_Init();Xunji_Init();TFT_Init();TFT_Clear(0x00,0x00);/Xunji_Jiance();Set_Start();/Xunji_Jiance(); /* Infinite loop */ while (1) ir=Get_irData();if(ir=0x0cf3) Set_Draw_a();if(ir=0x18e7

21、) Set_Draw_O();if(ir=0x5ea1) Set_GetTo();if(ir=0x08f7) Xunji(); 6 參考資料1 顧瑞娟,王宇,張善從. 基于FPGA的步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計 J. 計算機工程與設(shè)計. 2012 (01) 2 鄒林兒,王國日,范定環(huán). 棱鏡耦合自動測試系統(tǒng)設(shè)計 J. 微型機與應(yīng)用. 2012 (01) 3 高玉章,陳世夏,任秀芳. 基于SPCE061A的智能報警系統(tǒng)設(shè)計 J. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2011 (21) 4 李興春,李興高. 電機與拖動虛擬實驗平臺搭建及實驗項目建模的實現(xiàn) J. 實驗室科學(xué). 2011 (04) 5 徐玲,鄧震宇. 基于FPGA的程控濾波器的設(shè)計 J. 電子設(shè)計工程. 2011 (11) 6 陸斌,蘇成功. 基于FPGA的直流電動機PWM控制系統(tǒng) J. 工礦自動化. 2011 (03) 7 張世輝,陳霞. 基于UC3843升壓式程控開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計 J. 電腦開發(fā)與應(yīng)用. 2011 (02) 8 晏英俊,張自強. 基于STM32的步進電機轉(zhuǎn)速控制實驗設(shè)計 J. 實驗室科學(xué). 2010 (06) 9