悬挂运动控制系统设计.doc

悬挂运动控制系统设计.doc

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摘要

在现代的工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中，悬挂运动控制系统的应用越来越多，在这些系统中悬挂运动部件通常是具体的执行机构，因而悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素，而在实际中实现悬挂运动控制系统的精确控制是非常困难的。

靠改变悬挂被控对象的绳索长短来控制被控对象运动轨迹的悬挂运动控制系统，在生产控制等领域有很广的应用范围，但受技术上的制约，使用也有一定限制。

悬挂轨迹控制系统是一电机控制系统，控制物体在80cm*100cm的范围内作直线、圆、寻迹等运动，并且在运动时能显示运动物体的坐标。

设计采用AT89C52单片机作为核心器件实现对物体运动轨迹的自动控制，通过多圈电位器实现对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正。

以达到对物体的控制和对坐标点的准确定位。

采用脉冲宽度调制技术控制直流电机驱动芯片L298，以实现对电机的转速、转向、启停等多种工作状态进行快速而准确的控制。

采用红外光电传感器实现检测电机速度和画板上黑色曲线轨迹。

关键词：

运动轨迹；多圈电位器；脉宽调制；红外反射光电传感器；直流电机

DesignofControlSystemofSuspensionMovementTrackBasedonMCU

Abstract

In modern industrial control, medical equipment and vehicles movement system, the application of suspension movement control system more and more, hanging in the moving parts in these systems are usually specific executive mechanism, thus the motion accuracy of suspension components is a major determinant of the whole system performance, and in practice to realize accurate control of suspension movement control system is very difficult. By changing suspension rope length of the controlled system to control the movement trajectory of the controlled suspension control system, and in production control and other fields have a wide range of applications, but the restriction of the technology, used also to have certain restriction.

Hangtrajectorycontrolsystemisamotorcontrolsystem,objectmakelinear,circle,searchinglocusandetclocomotionwithintherangeofthe80cm×100cm,whilemovementsystemcandisplaythecoordinateoftheobject.AdoptAT89S51MCUasthemainparttorealizetheautomaticcontroloftheobjectmotionlocusinthisdesign,systemusingmultiturnpotentiometertomeasurethepositionofobject,andintroduceslocalclosed-loopfeedbackcontrolsystemlinktocorrecterror,inthatcasesystemcanimprovetheaccuracyofcontrolandorientation.InthisdesignsystemalsoadoptPWMtechniquecontrolDCmotordrivechipL298torealizetheaccuratecontrolofmotorrotationspeed,rotationdirection,Start,Stopandetcoperatingposition.Systemadoptinfraredphotosensormeasuremotorrotationspeedanddrawinglocusbyblackcurveonthepalette.

KEYWORDS:

Sporttrajectory；Loopypotentiometer；PWM；Infraredphotosensor；DCMotor

目录

第一章绪论 1

1.1论文选题背景及研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3论文研究的主要内容 2

第二章方案论证 4

2.1系统设计要求 4

2.2系统方案论证 5

2.2.1电源部分方案论证 5

2.2.2电机选择论证 6

2.2.3驱动及调速方案论证 6

2.2.4电机控制模块方案论证 6

2.2.5电机速度采集模块方案论证 7

2.2.6寻迹部分方案论证 7

2.2.7显示及键盘模块方案论证 8

2.2.8控制方式论证 8

第三章硬件电路设计 9

3.1硬件系统整体结构简介 9

3.2电源部分电路设计 10

3.2.17805芯片介绍 10

3.2.2电源部分电路 11

3.3电机控制模块设计 12

3.3.1L298N芯片介绍 12

3.3.2电机驱动模块设计 13

3.4电机速度采集设计 14

3.4.1ADC0832介绍 14

3.4.2电机速度采集电路 15

3.5寻迹部分电路设计 16

3.5.1寻轨迹控制策略 16

3.5.2寻迹模块电路 16

3.6显示模块设计 17

3.6.1MAX7219介绍 17

3.6.2显示模块电路 17

3.7键盘模块电路设计 18

3.8主控制器模块设计 20

3.8.1AT89C52介绍 20

3.8.2单片机最小系统 23

第四章软件部分设计 25

4.1理论分析与计算 25

4.1.1位移/数据转换方法 25

4.1.2点到点运动核心算法 25

4.1.3误差补偿 26

4.1.4画圆数学模型 26

4.2程序流程图 27

4.2.1主流程图 27

4.2.2定点运动子程序 27

4.2.3画圆子程序 28

4.2.4寻迹子程序 29

第五章总结 31

致谢 33

参考文献 34

附录一程序清单 36

附录二硬件原理图 50

50

第一章绪论

1.1论文选题背景及研究意义

运动控制是自动化技术的重要组成部分，是机器人等高技术领域的技术基础，已取得了广泛的工程应用。

运动控制集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等内容。

自二十世纪八十年代初期，运动控制器已经开始在国外多个行业应用，尤其是在微电子行业的应用更加广泛。

而当时运动控制器在我国的应用规模和行业面很小，国内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品。

在现代的工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中，悬挂运动控制系统的应用越来越多，在这些系统中悬挂运动部件通常是具体的执行机构，因而悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素，而在实际中实现悬挂运动控制系统的精确控制是非常困难的。

靠改变悬挂被控对象的绳索长短来控制被控对象运动轨迹的悬挂运动控制系统，在生产控制等领域有很广的应用范围，但受技术上的制约，使用也有一定限制。

采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统控制器。

FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。

FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系统。

本设计中，FPGA的高速处理能力得不到充分发挥。

所以在本次设计中，主要是以单片机作为控制核心。

在本设计的基础上还可拓展设计成基于三线悬挂结构的运动控制装置。

所谓三线悬挂是指，将三根缆线系于一点并悬挂重物，且三根缆线分别挂在三个固定滑轮上，其长度由电机驱动的三个绕线电机分别控制，从而控制悬挂重物在三维空间中的位置。

其中原理和悬挂轨迹控制系统一样的。

本课题的研究意义在于，悬挂运动控制系统广泛应用于工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中，有较大的实际应用价值。

另外，我国电动机装机容量约为4亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的百分之六十到七十。

面对能源紧张的现状，研究本课题从而进一步深入了解悬挂运动控制系统有利于我们合理、经济、有效地利用电能资源。

1.2国内外研究现状

十九世纪八十年代以前，在运动控制系统领域中只有直流电气传动；十九世纪末，由于出现了交流电机（鼠笼式异步交流电机）开始逐步使用交流电气传动；二十世纪三十年代起，形成了直流调速，交流不调速的格局；二十世纪后期，交流调速兴起，运动控制系统进入了一个全新的时代。

运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推新的产业革命关键技术。

运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片（ASIC）作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC总线和以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。

运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。

基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一。

高速，高精度始终是运动控制技术追求的目标。

充分利用DSP的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用DSP和FPGA技术，使系统结构更加开放，根据用户的应用要求进行客制化的重组，设计出个性化的运动控制器将成为市场应用的两大方向。

目前运动控制器从结构上主要分三大类：

（1）基于计算机标准总线的运动控制器；

（2）Soft型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口；

（3）嵌入式结构运动控制器，这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。

国外：

运动控制技术作为自动化技术的一个重要分支，在二十世纪九十年代，国际上的发达国家已经进入了快速发展阶段。

由于有强劲的市场需求推动，运动控制技术发展迅速并且应用广泛。

国内：

我国在运动控制器开发方面相对落后，“八五”期间，我国广大科研工作者也成功地开发了两种数控平台和“华中Ⅰ型”、“蓝天Ⅰ型”、“航天Ⅰ型”、“中华Ⅰ型”等四种基本系统。

但从整体来说这些系统是数控系统，不属于独立的开放式运动控制器产品。

1.3论文研究的主要内容

本文研究的悬挂运动控制系统是一电机控制系统,集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等。

本系统设计中以单片机为控制核心，由直流电机、驱动电路为执行设备，结合电源模块、4*4键盘及LED显示屏等构成的悬挂运动控制系统。

本文算法设计针对线段