09级悬挂运动控制系统

悬挂运动控制系统 悬挂运动控制系统 摘要：本次设计的悬挂运动控制系统，以MSP430F449单片机作为系统的控制核心。根据题目设定的设计要求，采用步进电机控制悬挂物体的运动以实现精确定位。本系统基于完备的硬件设计，采用优化算法，快速、准确的实现了任意设定坐标参数，控制物体进行直线运动、圆周运动，正弦运动及其往返运动等功能。 关键词：悬挂运动；MSP430单片机；步进电机 TOC \o "1-3" \h \z \u 一、设计 2 1.1方案论证与选择 2 1.1.1、核心控制模块 2 1.1.2、电机的选择 3 1.1.3、电动机驱动方式 3 1.2、总方案的确定 4 二、硬件电路设计 5 2.1、电机驱动器 5 2.2、画笔模型设计 5 三、软件程序设计及计算 6 3.1、主程序图 6 3.2、物体位置控制部分 6 3.2.2、直线运动 8 3.2.3、圆周运动 8 3.2.4、正弦运动 9 四、实际测试 9 4.1、电机及其驱动电路 9 4.2、单片机电路 9 4.3、测试结果及分析 9 4.3.1、“自选动作”功能 9 4.3.2、“画圆”功能 9 五、 10 参考文献 10 一、方案设计 根据题目要求系统模块分可以划分为：控制模块，显示电路模块、电机模块。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。 1.1方案论证与选择 1.1.1、核心控制模块 方案一：FPGA方式。即用FPGA完成键盘定义与识别、电机工作状态选择与切换、液晶电路的驱动与控制等功能。这种方案的优点在于系统结构紧凑、操作方便，而且可以使用的I/O口线很多；缺点是调试时需要很多接线，过程繁琐。 方案二：单片机方式。即由单片机、电机驱动电路等组成系统。使用单片机也可以完成键盘定义与识别、键盘置数、电机工作状态选择与切换等功能，组成的系统规模较小，有一定灵活性。该控制方式需要单片机具有较大的程序存储量，所以可选择MSP430F449单片机作为系统控制器。软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，在性价比、功耗、速度上有优势，故选择此方案。 1.1.2、电机的选择 考虑到电机要拖动超过100克以上的物体，这需要选择合适的电机，查资料得，直流电机和步进电机都可以胜任。 方案一：使用直流电机驱动画笔。直流电机能实现连续运转，只要型号选择合适，其驱动能力足以使画笔在限定的时间内画出足够长的线。但直流电机运行时的惯性比较大，不同的运行方式进行切换时，延时较长，画出的图形不能满足题目要求。 方案二：选用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响；而且步进电机只有周期性的误差而无累积误差，因而用步进电机来控制位置比用直流电机简单，故采用此方案，使用两相四线式步进电机。 1.1.3、电动机驱动方式 两相步进电机的工作方式一般有二相四拍和二相八拍两种。 方案一：步进电机设置成二相四拍时，其优点是所占用的单片机的口线较少，使用2-4译码器时只需四个端口就可以同时驱动两个步进电机以四拍方式工作，这样单片机就有空余的口线将系统做成闭环形式。该方法的主要缺点是电机换相的时候，可能存在两相同时失电的情况（如图1所示），严重影响电机运行的稳定性。 图 1 方案二：电机设置为二相八拍时，一方面消除了两相同时失电的可能性，同时电机的驱动能力比二相四拍时大了很多，足够使画笔装置正常工作。同时考虑到该装置的基本功能就是要驱动画笔工作，所以选择方案二。 1.2、总方案的确定 总体布局图如下： 图2系统整体方案框图 经过上述的比较，我们选择MSP430F449单片机作为系统控制器；利用键盘设置点的坐标；使用LCD12864显示运动方式、设置的坐标值及计时的时间；采用L297_L298芯片混合式步进电机驱动器，该电机驱动芯片完成三个方面的功能：处理键盘数据；控制液晶显示；控制电机的运行状态。 二、硬件电路设计 本系统利用L297_L298芯片混合式步进电机驱动器驱动两个电机，使画笔在角度<100°的倾斜的板子上画出图形，并在LCD12864上显示坐标及时间。 2.1、电机驱动器 L297_L298芯片混合式步进电机驱动器，其转速可调、抗干扰能力强、具有续流保护和过电流保护、可控制两相步进电机，控制信号直流4.5～5.5V，电机电压直流5V～30V(12V最佳)。 图3 L297_L298芯片混合式步进电机驱动器原理图 2.2、画笔模型设计 按照题目要求，该装置中所吊物体的重量为100克，设左侧的步进电机为电机A，右边的为电机B，吊线穿过两电机，并经过滑轮将物体吊在板子上。 制作画笔需要注意两条线尽量能够交汇在画笔处，笔尖不能突出太多，3mm 左右就差不多了，如果太长，当两边的拉线运动时，物体会左右摇晃，应尽量避免，物体一定要做成一个整体，内部不能有物体在运动的时候摇动，否则会出现加大的误差。 三、软件程序设计及数学计算 3.1、主程序流程图 图4 3.2、物体位置控制部分 3.2.1、坐标点参数的计算 （1）脉冲与位移的关系 电机的缠线轴带动外环转动的长度是12cm，我们选定的步进电机是0.9°一步的四相步进故每一个脉冲对应的线的位移是12/400=0.03cm。总位移与脉冲个数成正比。 （2)点到点运动 算法：结合图4.1.1说明，假设A（x0,y0）,B(x1,y1)为给定平面范围上的任意 两点，作辅助线（图中虚线部分） 4.1.1点到点运动 在直角三角形⊿ACE 中 a0= ; 在直角三角形⊿ADF 中: b0= 同理对于B点，两拉线长分别为： a1= b1= 因此当悬挂物从A点运动到B 点时： 电机1的收放线长度为c（当c<0，电机正转（或拉线伸长）；c>0 时，电 机反转（或拉线收缩））c=a0-a1 电机2的收放线长度为d（当d<0，电机反转（或拉线收缩），当d>0时，电 机正转（或拉线伸长））d=d0-d1 根据c，d的正负分别确定电机1，电机2的正反转向。而根据c，d 的绝对 值来确定电机1，电机2各自所需的脉冲数： 电机A所分配的脉冲数： m= ×p 电机B所分配的脉冲数： n= ×p 3.2.2、直线运动 先设置终点坐标，开定时器A开始计数，起点是（x0,y0）,手动设置的点是（x1,y1）,电机从起点走微小步到设置的点，停止计时，直线运动完成。 3.2.3、圆周运动 我们首先设定圆心，让物体做直线运动：从原点运动到圆心，再从圆心运动到圆上一点，然后，按照数组中坐标点的数据，逆时针或逆时针做圆周运动，同时，刷新显示运动坐标并计时。当数据取完后，停止计时，圆周运动完成。 方法1 用打点的方式每隔一度来取点，制成一个表，叫取点法。我们取的点是以坐标原点为圆心，从（25,0）开始，这样就可以把圆心设置在任何地方，只要把新的圆的横纵坐标加上设置的点即可。因为电机在每一个位置电机的受力都会有影响，所以电机在不同的地方开始运动，都会影响最后的结果，而且电机又分为顺时针和逆时针运动，这些都会影响最终的效果。 方法2 用函数的方法，叫函数法。函数法一：圆上每一点的坐标可以用正弦和余弦表示，那么我们就可以按照弧度把圆分成更多的小段，这样我们就可以取合适的点来尝试，这正是它的优点。函数法二：圆上每一点的坐标可以根据x的取值，用x与半径的关系求得y,这样的优点可以把X化成更多的小段，这样就像函数法一一样，可以尝试取其最合适的点。 最终在比较不同的算法之后，我们采用打点法，从最高点顺时针开始运动，最终达到较为理想的结果。 3.2.4、正弦运动 正弦运动和圆运动一样也分为打点法和函数法，打点法的缺点是点数固定，其优点是可以直接在寄存器中取值，这样每个微小段之间连接的速度会快些，而函数法刚好相反，它可以让正弦运动分成更多的段，其缺点是一个微小段到下一个微小段运动的过程中的时间会更多，而且其累计误差也可能增大。 最终通过比较，我们采用函数法，把步进取0.18cm，共有349次循环，达到较理想的效果。 四、实际测试 4.1、电机及其驱动电路 给电机驱动电路施加由定时器B输出的OUTMOD_7的PWM波，使用+12V和+5V的直流稳压电源，电机能够连续旋转。我们选择818HZ的频率对电机运动比较好。 4.2、单片机电路 采用IAR软件和单片机最小系统板仿真。测试可知，控制系统可以通过键盘设定坐标点参数，并在显示屏上显示。 4.3、测试结果及分析 4.3.1、“自选动作”功能 设定画笔从点（0，40）运动到（61.8，40）的正弦波，能准确画出正弦波形， 并且画出的波形也很光滑。 4.3.2、“画圆”功能 设置圆心坐标，画笔能画出纵轴低于70cm的完整的圆形测得数据如表1。 序号 1 2 设置圆心 (40,40) (50,50) 实际坐标(cm) (40.5,40.5) (50.5,50.4) 时间(S) 17 19 表1 五、总结 悬挂运动控制系统是我们第一次开始接触的作品，它比较偏重于软件方面，程序比较复杂。这也是我们第一次接触这么大的程序。一开始我们就看07级留下的程序，在了解大致的思想后，便着手开始改进，中途也会出现很多问题，如对msp430的中断，定时器捕获比较功能了解的不够。改后的程序总是不能产生设定的PWM波，最后经请教别人得以顺利解决。程序改好后开始调试，画正弦的时候，竖直向上的直线偏移量很多，本来从零点竖直向上左边电机受的拉力要大很多，偏移一点可以理解。但我们太大了，只有从算法上解决，当我们将每次计算的外部变量初值改为局部变量后，偏移量明显减少，且图形也更加好了。对于画圆我们也尝试了很多方法，如用正弦余弦计算法，打点法，从不同点开始画圆，最后还是从最高点顺时针打点法画的圆最好。 硬件方面也出现了许多问题，开始做的重量过重且重心不稳，后来通过改进也很不错。最后出的问题让我们纠结了好几天，画图形就是上不去，我们总感觉程序没问题，就开始改硬件，换电机换线但还是和原来一样。最后唐老师来了，看了一下我们的情况，发现滑轮不太灵活，建议我们上点油，第二天上油后就好了。我们还是发现问题的能力不够，这点需提高。做完此次实验在程序还是收获挺大的。 参考文献 1.黄根春 电子设计教程 电子工业出版社 2.康华光 电子技术基础（模拟部分） 高等教育出版社 3.黄智伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计 北京航空航天大学出版社