悬挂运动控制系统的设计

75 悬挂运动控制系统的设计 the Design of Suspended Movement Control System 廖 颀1 时国平2 Liao QiShi GuoPing （1.赣南师范学院物理与电子信息科学系, 赣州 341000; 2.江西理工大学机电学院, 赣州 341000） (1.Physic & Electronic Information Science Dept., Gan’nan Teachers’College, Ganzhou341000; 2.College of Electromechanical Engineering,Jiangxi University of Science & Technology, Ganzhou341000) 摘 要: 本设计采用P89LPC932单片机作为物体运动和电机转速控制的核心，采用一套独特的软件算法实现了 物体运动轨迹的控制。 关键词: 单片机; 控制系统; 步进电机 中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-4792-(2006)1-0015-02 Abstract: This system is based on P89LPC932 MCU(Micro Controller Unit) which controls the movement of the object and the speed of the motor and realizes the object movement control with a set of unique software algorithms. Keywords: Single Chip Computer; Control System; Step Motor 0 引言 本系统是在一个有倾角的板上运动，控制与物 体相连的绳子的长度。本设计采用高效的PWM电路， 提高电源的利用率;控制电路的电源和电动机电源隔 离，经光电耦合器传输，抗干扰性能强; 红外黑线 检测，超强纠错。 1 悬挂运动控制系统的硬件设计 悬挂运动控制系统由电机、控制器、传感器和 电源组成，系统总体框图如图一所示。 图一 系统总体框图 电机采用纯粹数字控制的步进电机，选用 MC1413达林顿阵列经过一级功率放大驱动步进电 机。 控制器采用LPC932单片机。LPC932 是一款单 片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低 成本的场合，可以满足多方面的性能要求。 传感器选用反射式红外传感器。在物体上安装 四个成X字型的反射式红外传感器检测黑色标志。 当传感器沿轨迹步进时，由各个传感器检测到的信 号，就能确定应该按照哪个方向运动。 按键与显示模块。该模块由单片机控制，数码 管的段码端用芯片74HC595驱动，位码端采用电流 驱动器MC1413驱动，键盘可以任意设置目标点的坐 标和希望的运行速度。 2 悬挂运动控制系统的软件设计 软件用C语言编写，实现电机转速控制、圆轨 迹控制、黑线红外检测、数据显示等功能。 2.1步进电机控制 步进电机是一步一步转动的，通过单片机按顺 序给绕组施加有序的脉冲电流,从而实现数字→角度 的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比,转 动的速度与脉冲频率成正比,而转动方向则与脉冲的 顺序有关。在速度控制时为了防止失步的发生，引 进了变速控制的思想，起动时以低于响应频率的速 度运行，然后慢慢加速，加到一定速度后，就以此 ??????????? 76 科技广场 2006.1 速度恒速运行。当要到达终点时，慢慢减速使之在 低于响应频率的速度运行，直到停机并走完规定步 数。步进电机的变速控制在定时器的中断服务程序 中通过改变脉冲频率来实现。 2.2物体的直线运动控制 2.2.1坐标原点到任意点的直线运动 本系统可通过键盘任意设定坐标点，而且速度 也是任意可调的。将坐标圆点进行坐标变换到左上 脚，如图二所示,则相对于原来坐标系的任意一点 （x,y）可经过坐标进行变换（各个数值的单位是 mm.）。 图二 坐标变换示意图 绳子长度r1、r2分别为: （1） （2） 由上所述任意一个（x,y）都有唯一一个r1,r2 与之对应。 按键设定任意点A,那么与A点对应的r1、r2由 式（1）、（2）可得： (3) (4) 则从原点到任意点A的直线运动，可以通过控 制步进电机使r1、r2满足要求。控制方法为： 当r1A>r2A,这表明r1端电机的转速比r2端的转 速快，这样才能保证两个电机的运转使r1、r2轴同 时达到终点A。 设r1端的步进电机以额定转速v1转动，那么 r2端电机的转速控制在v2=v1*r2/r1。 反之，如果r1A0，表明要收r1；当Δr1<0，表明要放 r1。同理r2也是同样的控制。 当Δr1>Δr2时,表明r1的移动路程大于r2的 移动路程。 设r1端的步进电机以额定转速v1转动，那么 r2端的电机的转速控制在V2=v1*Δr2/Δr1。 2.2.3任意圆心的圆的运动控制 采用直线近似法完成圆轨迹运动。在圆周上取 32个点，也可以取更多点，得到一组离散数据预先 存入单片机E2PROM中，通过坐标变换将给定圆圆心 转换到任意设定的圆心，坐标变换后按式（3）、（4）、 (5)、(6)进行从A点运行到B点的对应r1、r2长度 的计算。 然后按照上面任意点A到任意点B的运动控制 方法，实现圆周上A点到B点的运动控制。当走完 预存的32个点，就实现了走圆的控制。 2.3黑线检测与按键显示程序 采用脉冲调制发射与接收电路。本例采用 LPC932外部中断功能检测，接收器产生的信号经识 别整形电路向LPC932指示传感器的探测信号，确定 应该按照哪个方向运动。 数码管全部使用软件进行动态显示。为了使人 眼感觉不到抖动，扫描频率应不低于60HZ，根据这 个值来确定定时器的中断时间。采用串行多数码管 扫描式显示方法，可以用键盘任意设置到达点的坐 标，运行轨迹的模式选择。 3 结束语 实验结果表明，本系统以简洁可靠的电路与精 心设计的控制算法与程序，较好地完成了系统的基 本要求和扩展要求。 参考文献 [1]赵秀菊.单片微机与测控技术[M]. 南京:东 南大学出版社，1996. [2]陈维山,赵杰.机电系统计算机控制[M].哈尔 滨:哈尔滨工业大学出版社,1999. [3]鲍超.信息检测技术[M].杭州:浙江大学出版 社,2002. 作者简介 廖颀（1979—），男，江西兴国人，赣南师范学 院物理与电子信息科学系专任

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，研究方向：单 片机教学与应用研究。 时国平（1978—），女，河南滑县人， 江西理工 大学硕士研究生，专业：机械电子工程。