擺錘運動控制系統(tǒng)

1、擺錘運動控制系統(tǒng)論文摘要：電動機作為最主要的動力源或運動源，在生產(chǎn)和生活中占有重要的地位，電動機的調(diào)速控制過去用模擬法。隨著計算機的產(chǎn)生和發(fā)展及新型電力電子功率器的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制也發(fā)生了深刻的變化。模擬控制已逐漸被使用以單片機為主的確混合控制和全數(shù)字控制所取代。我們采用單片機控制步進電機，通過io口輸出具有時序的方波作為步進電機的控制信號。信號經(jīng)過l298驅(qū)動步進電機使其可以帶動支架擺動。通過鍵盤輸入改變步進電機的運行狀態(tài)，從而對擺錘的擺動頻率進行控制，并用紅外光管對擺錘的周期進行檢測。在支架上固定永久磁鐵，使其與作為擺錘的小磁鐵產(chǎn)生引力作用以帶動擺錘運動。顯示擺錘的周期采用四位共陰極

2、led顯示器。用蜂鳴器作聲音提示。圖（2）永久磁鐵圖（1） bcda 步進電機支架擺錘永久磁鐵圖（3）圖（5）開始紅外光管i滅步進電機驅(qū)動起振擺錘上擺紅外光管ii滅no擺錘上擺 no擺錘下擺 yes紅外光管i滅 no yes擺錘上擺紅外光管iii滅 no 擺錘下擺 yes紅外光管i滅 no一、 方案比較：方案一：用小的永久磁鐵作為擺錘，利用永久磁鐵之間的引力。如圖（1）所示，使擺錘和作為控制的磁鐵依次吸合，從而控制擺錘的運動。例如，當(dāng)擺錘向左起振時，則通過單片機控制使控制磁鐵從第0塊開始，從右到左依次升高。則此時擺錘與從右到左的磁鐵間的距離不同，擺錘會與其距離最近的磁鐵吸合。但這種方案要求單片

3、機比較精確地控制磁鐵的運動，而且控制磁鐵的上下運動是機械運動。當(dāng)要求擺錘的擺動頻率升高時，控制磁鐵間的引力很大，阻礙了控制磁鐵的上升和下降運動，從而抑制擺錘的擺動頻率的升高。方案二：用小鐵球作為擺錘，采用繼電器組控制。如圖（2）所示。在a、b、c、d四處各放上一個繼電器。通過單片機控制這些繼電器的開啟和關(guān)閉。由于當(dāng)繼電器開啟后，其中的磁感線圈會和小球產(chǎn)生引力作用，通過改變不同繼電器的開啟和關(guān)閉的順序即可。改變小球的運動方向，從而達到控制擺錘小球運動的目的。但是這種方法的缺點也很明顯。這種方法對小球的作用力不均勻，亦即小球的擺速不好確定，還要考慮繼電器的磁感線圈反產(chǎn)生的感生電動勢對小球的影響，會

4、使小球的運動情況十分復(fù)雜，不利于分析和處理，也很難達到題目的要求。而且從經(jīng)濟上考慮，也不是一種好方法。方案三：同方案一，亦用小的永久磁鐵作為擺錘。利用雙相步機電機控制“l(fā)”型支架，支架上固定有一磁吸。如圖（3）所示。由于磁吸與擺錘之間的引力作用，擺錘會隨著支架的運動而運動。所以只要對支架進行控制從而帶動擺錘的運動即可。由于步進電機可將脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰坪途€位移，我們通過步進電機的齒輪與另一個大的齒輪相配合，再對支架進行控制。由于雙相步進電機的步距為1.8度，通過此處理后，我們可以很精確地對支架的運動狀態(tài)進行控制，而且也避免了擺錘的擺幅誤差的問題，而且擺錘的擺動頻率的控制可以在軟件中輕松處理。很好

5、地達到了題目的要求。通過比較，我們采用了方案三。二、 設(shè)計與論證（1） 電機的選擇與調(diào)速性能好、調(diào)速范圍寬廣、調(diào)速特性平滑過載能力較強且熱動和制動轉(zhuǎn)矩較大的直流電機相比，由于其最大弱點就是有電流的換向問題，不能很好地達到我們的目的。而步進電機是用電脈沖信號進行控制，每加一次脈沖信號后僅轉(zhuǎn)動一定角度，它可以精確地控制轉(zhuǎn)動的角度。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速，停止的位置只取決于脈沖信號和頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差的特點，使得在速度、位置與控制操作變得很簡單，所以我們采用步進電機。（2）

6、 電機驅(qū)動電路的選擇從步進電機的原理來看，步進電機的轉(zhuǎn)子由按照串聯(lián)電極排列的永磁體構(gòu)成，它們決定了每步的大小。定子中含有多個繞組，產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子的永磁體之間產(chǎn)生互相作用。控制電路產(chǎn)生的一個脈沖序列使定子繞組的電源接通和中斷，電機便產(chǎn)生正向或反向旋轉(zhuǎn)。定子脈沖序列反向就會改變旋轉(zhuǎn)方向，而由脈沖的頻率控制旋轉(zhuǎn)速度。要使一個步進電機旋轉(zhuǎn)，必須不斷地使繞組通電和斷電。反之，如果一個繞組持續(xù)給予能量，則電機會停止旋轉(zhuǎn)，通過保持力矩使之維持在某個角度位置上。因而它們能夠以非連續(xù)的步長進行運動，產(chǎn)生精確的角度位置信息，它直接由電脈沖信號進行控制。所以，步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)如其驅(qū)動系統(tǒng)框架圖所示，它由需要控制

7、電機旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)速等的控制裝置、將來自控制裝置的信號轉(zhuǎn)換為脈沖的脈沖發(fā)生器以及對各繞組順序分配脈沖電流的驅(qū)動電路構(gòu)成。待添加的隱藏文字內(nèi)容3控制信號控制裝置 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)脈沖發(fā)生器cwccw驅(qū)動電路abab+ 電動機比較其驅(qū)動方式，分單極性驅(qū)動方式、雙極性驅(qū)動方式恒流驅(qū)動方式等等。由于單極性驅(qū)動方式低速時轉(zhuǎn)矩特性差，而高速特性非常好，我們采用雙極性驅(qū)動方式，它的控制精度高，而且低速時可獲得較大的轉(zhuǎn)矩。雙極性驅(qū)動電路大致可以分為兩種，一種是采用正負雙電源方式，這是在2個晶體管連接點與電源中點接步進電機的驅(qū)動繞組方式。但需雙電源供應(yīng)，實際應(yīng)用中不常采用第二種是采用單電源方式，這是采用2組晶體管的全橋方

8、式。經(jīng)過比較，基于集成電路性能的穩(wěn)定性，在步進電機的眾多由集成芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路中，我們采用l297和l298n構(gòu)成的驅(qū)動電路。l298n芯片可以驅(qū)動兩個二相電機（如圖11），也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達50v，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的io口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便且價格不高，故選用l298n驅(qū)動電機。而使用l298n時，可以用l297來提供時序信號，可以節(jié)省單片機io口的使用。（2）系統(tǒng)的硬件處理我們采用“l(fā)”型支架，并在支架上固定一磁吸，擺錘亦采用小磁鐵，質(zhì)量約在20g50g范圍之內(nèi)。則由同極相斥，異極相吸的原理，當(dāng)磁吸與擺錘距離在一定范圍

9、內(nèi)，即可使擺錘與磁吸兩者的相對位置保持不變。只要控制磁吸的運動。即支架的運動就可以對擺錘的運動進行控制。為了更加精確地控制支架的運動，我們用另一有118齒的齒輪與步進電機的18齒齒輪相配合。由于步進電機的步距角為1.8度，則大齒輪每轉(zhuǎn)一格，支架僅轉(zhuǎn)動約0.277度，可以達到非常高的精度要求。 在擺錘系統(tǒng)的初始狀態(tài)，使支架固定在某一離開中線的位置，使擺錘自然下垂。在硬件電路中設(shè)置四個功能鍵：s1：起擺按鈕；s2：加速擺動按鈕；s3：減速擺動的按鈕；s4：停擺按鈕。當(dāng)按下s1時，步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機開始工作，帶動支架起擺，當(dāng)支架經(jīng)過擺錘所在平面時，擺錘與支架上的磁吸之間的引力作用，使擺錘隨支架一起運動。當(dāng)按下s2鍵時，如果擺錘正處于運動狀態(tài)，則采用當(dāng)擺錘經(jīng)過最低點時作為狀態(tài)的改變點。當(dāng)最低點處的紅外光管滅時，即按鍵后擺球第一次回到最低點時，擺錘開始進行加速運動。同理，按下s3鍵時，擺球在第一次回到最低點時，擺錘開始進行減速運動。當(dāng)按下s4鍵時，擺錘會在一定的緩沖時間內(nèi)停止運動。這是我們添加的功能。我們通過在最低點處安裝一磁繞線圈