電機(jī)控制設(shè)計報告最終版本

1、 “盟升杯”大學(xué)生電子設(shè)計大賽 電機(jī)控制組設(shè)計報告 設(shè)計題目：電機(jī)控制 目 錄 1.引言.3 2.設(shè)計指標(biāo).3 2.1設(shè)計任務(wù).3 2.2詳細(xì)指標(biāo).4 3.方案論證與選擇.4 3.1 坐標(biāo)系選擇.4 3.2 控制顯示模塊.5 3.3 電機(jī)及驅(qū)動電路.5 3.4 卷線工件.5 4.硬件設(shè)計.6 4.1 MCU.6 4.2 步進(jìn)電機(jī).74.3 卷線工件設(shè)計.74.4 小物件的選擇.84.5 輸入與顯示.8 4.6 硬件系統(tǒng)整體示意圖.8 5.軟件設(shè)計.95.1程序框圖.95.2算法.115.3電機(jī)移動.155.4輸入與顯示.175.5即時坐標(biāo)儲存及連續(xù)任意坐標(biāo)移動.185.6累計誤差補(bǔ)正.19 6

2、.測試與誤差分析.19 6.1 測試儀器與工具.19 6.2 測試方案與誤差分析.19 7.設(shè)計總結(jié).231 引言 本次競賽我們選擇了電機(jī)控制方向。隨著生產(chǎn)過程機(jī)械化、電氣化和自動化的不斷發(fā)展，控制學(xué)在各行業(yè)的應(yīng)用越來越多。而電機(jī)控制更是在機(jī)械化設(shè)備中廣為應(yīng)用，滲透與我們生活的方方面面。本著對電機(jī)控制的興趣，我們小組最后選定了該題，希望通過此題對電機(jī)控制有更深的理解。2 設(shè)計指標(biāo) 2.1 設(shè)計任務(wù) （1）設(shè)計一電機(jī)控制系統(tǒng)，驅(qū)動兩只電機(jī)（固定在板上）通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運(yùn)動，要求該板傾斜仰角100度。 （2）物體運(yùn)動范圍為80cm100cm。物體的形狀不限，質(zhì)量大于100克。物體

3、上固定有淺色畫筆，運(yùn)動時能在板上畫出運(yùn)動軌跡。 （3）板上標(biāo)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。 2.2 詳細(xì)指標(biāo) （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80cm100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運(yùn)動，運(yùn)動軌跡長度不小于100cm，物體在運(yùn)動時能夠在板上畫出運(yùn)動軌跡，限300秒內(nèi)完成； （3）控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運(yùn)動，限300秒內(nèi)完成； （4）物體從左下角坐標(biāo)原點出發(fā)，在150秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個坐標(biāo)點(兩點間直線距離不小于40cm)。（5）能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)； 3 方案論證與選

4、擇 3.1 坐標(biāo)系選擇 方案一：構(gòu)建坐標(biāo)系下小物件位移與的函數(shù)關(guān)系，通過控制,控制小物件連續(xù)的進(jìn)行位移。該方案雖作圖精度大，但函數(shù)構(gòu)建困難，并且難以通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動直接控制x，y坐標(biāo)，實踐過程中難以對函數(shù)進(jìn)行調(diào)試與修改，故不采用。 方案二：設(shè)左右電機(jī)轉(zhuǎn)軸到懸掛物件的繩長分別為,在確定電機(jī)位置下，同一（，）對應(yīng)的坐標(biāo)點唯一。基于這一數(shù)據(jù)特點構(gòu)建關(guān)于,的新坐標(biāo)系，通過控制,的值采用微元法控制小物體的移動。該方案會產(chǎn)生一定的誤差，但通過增加有效數(shù)位與添加補(bǔ)償系數(shù)能使誤差減小到忽略不計且能適用于各種硬件環(huán)境，同時繩長測量方便，方便使用過程中的調(diào)試與修改，故采用。 3.2 控制顯示模塊 方案一：采用矩陣

5、鍵盤，與數(shù)碼管顯示。該方案編程容易，電路簡便，但顯示位數(shù)有限且占用I/O口資源過多，故不采用。 方案二：采用矩陣鍵盤，與LCD顯示。該方案雖編程相對復(fù)雜，但暫用I/O資源小，切能提供足夠的顯示位數(shù)，故采用。 3.3 電機(jī)及驅(qū)動電路 方案一：使用直流電機(jī)。直流電機(jī)成本低，轉(zhuǎn)速快。但難以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制，切難以處理開始轉(zhuǎn)動與停止轉(zhuǎn)動時的加速度。故不采用。 方案二：使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)雖成本較高，每步之間也存在加速度，但使用PWM波能非常容易的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動時間的精確控制，同時使用相應(yīng)的驅(qū)動電路，能良好的處理啟動與停止所產(chǎn)生的加速度。故采用該方案更優(yōu)。 3.3 卷線工件方案一：螺絲在工件中部，卷線

6、面積更大，但螺絲容易擾亂細(xì)線的收卷，此方案雖然卷線面積大，但考慮到螺絲絞線所帶來的不確定因數(shù)，故不選擇；方案二：螺絲在工件邊緣，卷線面積縮小，但螺絲不會影響細(xì)線的收卷，該方案安全系數(shù)非常高，雖然卷線面積偏小但我們可以采用很細(xì)的線，故選擇此方案；4 硬件設(shè)計 4.1 MCU 本設(shè)計采用ARM Cortex-M3，該處理器的優(yōu)勢在于低功耗與高性能的結(jié)合，能快速準(zhǔn)確的處理信號，同時該核心最多可減少12個時鐘周期數(shù)，在實際應(yīng)用中可減少70%中斷，避免了程序編寫的冗雜。 4.2 步進(jìn)電機(jī) 4.2.1 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢 在方案論證中我們已經(jīng)提到對于該實驗，步進(jìn)電機(jī)是很好的選擇。一般電動機(jī)都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進(jìn)

7、電動卻是一步一步轉(zhuǎn)動的，每輸入一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過一定的角度。這樣一來步進(jìn)電機(jī)就能非常準(zhǔn)確被單片機(jī)所控制，進(jìn)而我們才可以通過編程定量的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動設(shè)定的距離或角度，從而帶動卷線工件收放線，對小物體施已精確的控制。對步進(jìn)電機(jī)的控制細(xì)節(jié)將會在程序部分詳細(xì)說明。 4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)介紹 電機(jī)固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了 一個步距角的值，我們所用電機(jī)給出的值為0.9/1.8（表示半步工作時為0.9、整步工作時為1.8），這個步距角可以稱之為電機(jī)固有步距角，它不一定是電機(jī)實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)

8、的相數(shù)： 是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。4.3 卷線工件設(shè)計 卷線工件的設(shè)計也是本實驗難點之一，以下是我們設(shè)計的兩張圖紙。在方案論證中我們已經(jīng)提到，對于該實驗右圖為更佳的方案。 4.4 小物體的選擇 對于100克以上小物件的選擇，我們做了一下思考。首先，根據(jù)要求，小物件上要

9、能固定筆，且要大于100克。100克的物體為了是防止體積過大，有限考慮的是金屬。方案一：我們先就地取材，拆了一只廢棄的馬達(dá)，并利用其中的磁鐵吸附了一些螺絲等金屬以達(dá)到要求種類，并用螺帽固定一只鉛筆，但因搖晃過大，且筆固定不穩(wěn)，導(dǎo)致軌跡呈明顯波動狀，故不采用。方案二：用兩塊萬用版鉆洞，用螺絲固定，中間孔中插一只鉛筆，四角再用螺絲穩(wěn)定，萬用版上可插各種元器件增加重量，但因萬用版較脆，鉆孔過程中大量破裂，故不采用次方案。方案三：根據(jù)可以掛的金屬想到了運(yùn)用鎖，但較難固定筆，于是利用橡皮的可塑性將其鉆孔插入較短彩色水筆，固定在鎖上，鎖靠外側(cè)以保證穩(wěn)定，經(jīng)驗證畫圖清晰晃動小，故采用 4.5 輸入與顯示 在

10、方案論證中，我們選擇了LCD顯示屏作為顯示器，顯示預(yù)設(shè)參數(shù)，與物體移動的及時坐標(biāo)值；矩陣鍵盤用來輸入坐標(biāo)以及模式選擇。該部分內(nèi)容將在LCD與矩陣鍵盤程序部分詳細(xì)介紹。 4.6 硬件系統(tǒng)整體示意圖5 軟件設(shè)計 5.1 程序框圖 為完成指標(biāo)要求，方便操作，本設(shè)計根據(jù)功能的不同劃分為6個模式，分別為mode1-mode5，并由主函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，程序框圖如下： 主函數(shù)： Mode1點到點移動：Mode2 畫心形軌跡：Mode3 畫圓：Mode5 輸入即時坐標(biāo)： 5.2 算法5.2.1 將（x，y）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為線長坐標(biāo)系（，） 在方案選擇中我們已經(jīng)提到，利用（，）坐標(biāo)參數(shù)將大大簡化算法。而且在小物體運(yùn)動范

11、圍內(nèi)（）， （x，y）坐標(biāo)與 （，）坐標(biāo)一一對應(yīng)。所以我們的首要任務(wù)就是將（x，y）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為線長坐標(biāo)系（，）。如圖所示：我們將（x，y）坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為（，）坐標(biāo)部分程序算法如下： 5.2.2點到點運(yùn)動的平移法 平移法是我們最先想到的方法，該方法的最大優(yōu)點是便于坐標(biāo)的顯示。該算法下，物體先做橫向平移，在做縱向平移。但該方法具有較大誤差（尤其是在移動到很高位置時）所以我們更偏向于5.2.3的方法；5.2.3點到點的直接移動法 相比于與5.2.2將點到點分解為橫豎兩個方向的運(yùn)動，點到點的直接運(yùn)動更為快捷也更為精確，然而點到點移動在坐標(biāo)顯示方面存在難點，因為點到點之間的過程中難以通過計算準(zhǔn)確顯示小物件

12、的即時坐標(biāo)。該方法的算法非常簡單，我們設(shè)起始點為（x1，y1） 到達(dá)點為（x2，y2），通過5.2.1的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：我們得到對應(yīng)的了l1-l2坐標(biāo)參數(shù)（l1，L1），（l2，L2）。該方法為下面5.2.4,5.2.5所描述描繪軌跡算法的基礎(chǔ)。部分程序算法如下： 5.2.4畫圓算法 考慮到直接繪畫弧線難度系數(shù)較大且難以控制，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特性，我們采用微元法移動小物件。將半徑為為25cm的圓微分成400份等長度的線段。在如此細(xì)小的微元下，小物件運(yùn)動軌跡幾乎為標(biāo)準(zhǔn)圓形。設(shè)定圓心點坐標(biāo)為（40 50）半徑r=25；首先把圓心角分為400份，i為份數(shù)(0到399），每一份為j，即；所以我們很容易得到第i

13、份的坐標(biāo)：Xi = Yi= 由此我們將得到400個坐標(biāo)點：，. ， 再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到（，）的坐標(biāo)參數(shù)；部分程序算法如下：5.2.3心形圖算法此部分的實現(xiàn)方法與計算思路與畫圓部分基本符合，均采用微圓法將心形微分成400個小部分。設(shè)定圓心點為（50,50）心形半徑為r=10；同樣將圓心角分為400份，i為份數(shù)（0到399），每一份為j，即；Xi = Yi= 與5.2.2相同，通過參數(shù)方程，我們將得到400個坐標(biāo)點，再次利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的（，）的坐標(biāo)參數(shù)；部分程序算法： 5.3 電機(jī)移動 本設(shè)計采用二相8細(xì)分步進(jìn)電機(jī)，即步距角為0.45，切用于繞線的線軸半徑為15mm，通過得出周長為47.2m

14、m，因驅(qū)動電路采用PWM波上升沿觸發(fā)，設(shè)定電機(jī)線速度為1cm/s，該條件下所需PWM波周期為0.002944，同時在電機(jī)轉(zhuǎn)動時PWM波占空比應(yīng)為0.5，停止時應(yīng)為0。因設(shè)定電機(jī)線速度為1cm/s，可直接將需要卷線長度作為PWM波占空比置為0.5的時長來對電機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行控制。由于本方案采用通過繩長控制坐標(biāo)變化的方法，結(jié)合上述算法中的微元法移動，將每一次移動轉(zhuǎn)化為一系列點中前一個點的所在位置的線長減去后一個點的所在位置線長作為每次的轉(zhuǎn)動量。線長差為正則電機(jī)正轉(zhuǎn)收線，線長差為負(fù)則電機(jī)倒轉(zhuǎn)放線。不同的移動中左右線長改變量不同，因此函數(shù)中做出判斷，兩個電機(jī)同時啟動，轉(zhuǎn)動時間短的電機(jī)停止后另一電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動至

15、結(jié)束。在實際測試中，我們發(fā)現(xiàn)電機(jī)速度可以大幅度提升，但又為保障穩(wěn)定，將電機(jī)速度調(diào)為2.5倍，即周期和運(yùn)動時間皆乘以0.4。程序貼圖如下： 5.4 輸入與顯示 5.4.1 矩陣鍵盤輸入 本設(shè)計采用43矩陣鍵盤作為控制端，如下圖所示：我們對此種矩陣鍵盤進(jìn)行掃描法判斷輸入。定義未有鍵按下為根據(jù)鍵盤編寫數(shù)組keys 得出所按點對應(yīng)值此函數(shù)只能得出一個數(shù)字或字符，為能得到0100的數(shù)字，并可以做到退格、確定等，又編寫了以下程序：定義*為退格鍵，#為確認(rèn)鍵，使輸入方式更為方便。 在此后函數(shù)中即可直接調(diào)用。 5.4.2 LCD顯示輸出 本設(shè)計選用了PC1602A LCD作為顯示端輸出，用于模式選擇、坐標(biāo)輸入

16、以及坐標(biāo)顯示等功能。在坐標(biāo)移動、畫軌跡、畫圓時，我們都采用了微元法，因此，每一次循環(huán)中都有對應(yīng)的x,y值，用整形格式輸出到LCD中即可將路徑中的坐標(biāo)顯示。如以下程序： 5.5 即時坐標(biāo)儲存及連續(xù)任意坐標(biāo)移動 在程序開頭，我們對全局聲明了變量imx,imy用來儲存即時的X,Y坐標(biāo)，每次經(jīng)過移動，就將移動到的X值重新賦值到這兩個變量中，使程序運(yùn)轉(zhuǎn)流程中可以即時儲存當(dāng)前所在坐標(biāo)，顯示當(dāng)前坐標(biāo)，并為下一次運(yùn)動做運(yùn)算，因此，在下一次移動中，只要一當(dāng)前位置為出發(fā)點進(jìn)行計算即可。算法貼圖如下：移動結(jié)束后： 5.6 累計誤差修正 經(jīng)過反復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)雖然每次運(yùn)行誤差不大，但是連續(xù)多次運(yùn)行后會有較大的累計誤差，因

17、此本方案設(shè)計了mode5對累計誤差進(jìn)行修正，程序如下：6 測試與誤差分析 6.1測試儀器與工具序號 名 稱 作 用1直流穩(wěn)壓電源給電機(jī)驅(qū)動提供24V電壓2數(shù)字萬用表測量外圍電路導(dǎo)通性以及電氣性能3毫米刻度尺精確測量小物體的所在位置4秒表測量運(yùn)動時間 6.2測試方案與誤差分析 6.21 指標(biāo)一（移動到指定坐標(biāo)點）測試與誤差分析 方案：將小物體校準(zhǔn)于坐標(biāo)原點，由近到遠(yuǎn)的隨機(jī)選設(shè)定將要到達(dá)到達(dá)坐標(biāo)點8個 （15,15），（25,30），（30,45），（40,45） ，（55,60），（55,70），（70,70），（75,85）；在5.2中曾提到，對于指標(biāo)一，我們有兩種可以實現(xiàn)的算法（5.22平移

18、法,5.23直接法），我們分別用這用兩種算法讓小物體移動到指定坐標(biāo)，并記錄實際坐標(biāo)與所花時間。對比兩種算法準(zhǔn)確度與速度，最后對誤差進(jìn)行系統(tǒng)分析。數(shù)據(jù)測試結(jié)果：（均從原點出發(fā)）（坐標(biāo)顯示均為理論值)方法一為直接法；方法二為平移法預(yù) 設(shè)坐 標(biāo)方法一實到點方法一誤 差方法一耗 時方法二實到點方法二誤 差方法二耗 時x=15.0y=15.0x1=15.3y1=15.3X：+0.3Y：+0.38.1 sx1=15.2y1=15.0X：+0.2Y：09.3sx=25.0y=30.0x1=25.5y1=30.2X：+0.5Y：+0.215.3x1=24.7y1=29.8X：-0.3Y：+0.216.8sx=

19、30.0y=45.0x1=30.1y1=44.7X：+0.1Y：-0.324.3sx1=30.5y1=44.1X：+0.5Y：-0.926.3sx=40.0y=45.0x1=39.7y1=45.2X：-0.3Y：+0.227.9sx1=40.6y1=44.3X：+0.6Y：-0.729.6sx=55.0y=60.0x1=55.6y1=60.2X：+0.6Y：+0.231.1sx1=55.2y1=59.3X：+0.2Y：-0.734.0sx=55.0y=70.0x1=55.3y1=70.0X：+0.3Y：034.6sx1=55.6y1=69.1X：+0.6Y：-0.938.2sx=70.0y=7

20、0.0x1=70.5y1=69.6X：+0.5Y：-0.438.9sx1=70.6y1=69.0X：+0.6Y：-1.041.0x=75.0y=85.0x=75.1y=84.3X：+0.1Y：-0.746.5sx=75.8y=83.9X：+0.8Y：-1.149.9s平均誤差方法一x方向:+0.26y方向:-0.06方法二x方向:+0.40y方向:-0.64 數(shù)據(jù)誤差分析與調(diào)整方案： 對比分析方法一（直接法），方法二（平移法）的測試數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)方法一的誤差更小，而且較為均勻，與運(yùn)動遠(yuǎn)近關(guān)系不大；而方案二雖然在移動到近距離時具有極小的誤差，但當(dāng)移動到距離原點較遠(yuǎn)的點時，誤差明顯擴(kuò)大（尤其是縱坐

21、標(biāo)誤差達(dá)到了-1.1）；另一方面，對比移速度，方法一均快于方法二，所以我們更加偏向于使用方法二。我們認(rèn)為誤差的主要來源在于繩子的形變，但方案二x，y方向的運(yùn)動更為均勻，減小了累計誤差，所以方案二的準(zhǔn)確度較為理想。 整體說來，用方法一與方法二均誤差均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于4cm。對于方案一誤差的消除，我們采取了兩種方法：1.補(bǔ)償法： 在多組實驗后我們發(fā)現(xiàn)橫移，縱移偏移量隨移動距離基本成一次關(guān)系，故我們在程序中設(shè)定了一個補(bǔ)償系數(shù)，修正偏移量，但效果不穩(wěn)定；2. 判定法： 我們發(fā)現(xiàn)由于物體高度會影響繩子張力所帶來的形變，物體高度越高橫移豎直偏移越大，所以我們設(shè)定物體若向上移動，則先橫后豎；若向下移動則先豎后橫，此方法在某些情況效果明顯，但有其局限性；6.22 指標(biāo)二，三（圓形軌跡，心形軌跡）測試與誤差分析 測試方案： 對于指標(biāo)二三，測試方法與指標(biāo)一大同小異，但側(cè)重檢測所畫軌跡是否與設(shè)定軌跡相吻合以及完成軌跡所需要的時間。我們在坐標(biāo)紙上用鉛筆描出預(yù)設(shè)軌跡，觀察小物體所畫軌跡與所描坐標(biāo)線吻合度，