電子設(shè)計競賽培訓(xùn)控制類

1、電子競賽輔導(dǎo)（控制類）重慶科技學(xué)院李正中2013年7月17日微機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型微機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院歷屆大賽控制類題目 水溫控制系統(tǒng)（1997年C題） 自動往返電動小汽車（2001年C題） 簡易智能電動車（2003年E題） 液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置（2003年F題） 懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)（2005年E題） 電動車蹺蹺板（2007年F題本科組） 聲音引導(dǎo)系統(tǒng)（2009年B題） 智能小車（2011年C題）皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制系統(tǒng)設(shè)計的能力需要（1）系統(tǒng)控制方案和算法設(shè)計（2）微控制器及其外圍電路模塊制作和編程（3）傳感器電路模塊制作和編程（4）電機(jī)控制電路模塊制作和編程（5）電

2、源電路模塊制作（6）機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)制作皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制小直流電機(jī)具有體積小、調(diào)速簡單等優(yōu)點(diǎn)，故常用于小車的動力裝置。小直流電機(jī)的控制內(nèi)容：（1）速度控制（2）方向控制皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制（1）小直流電機(jī)的速度控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為：其中：U電樞端電壓；I電樞電流；R電樞電路總電阻；每極磁通量；K電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。則電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法可采取電樞電壓控制法，即勵磁恒定不變的情況下，通過調(diào)節(jié)電樞電壓來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。如何控制電壓？PWM（Pulse Width Modulation ）脈寬調(diào)制皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制

3、PWM原理 當(dāng)晶體管V的基極輸入高電平時，V導(dǎo)通，直流電機(jī)電樞繞組兩端有電壓Us，t1秒后，基極輸入變?yōu)榈碗娖?，V截止，電機(jī)電樞兩端電壓為0；t2秒后，基極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，V的動作重復(fù)前面的過程。 電機(jī)電樞兩端的電壓平均值Uo為： 皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制PWM原理電機(jī)電樞兩端的電壓平均值Uo為： 稱為占空比，表示在一個周期T里，晶體管導(dǎo)通的時間與周期的比值。 的變化范圍為0,1。當(dāng)電源電壓Us不變時，電樞端的平均電壓Uo取決于的大小，改變的值就可以改變端電壓的平均值，從而進(jìn)行調(diào)速，這就是PWM調(diào)速原理。 如何改變的值？常用的一種方法是定頻調(diào)寬法。即使周期T保持不

4、變，同時改變t1和t2的大小。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制生成PWM波的方法延時程序?qū)Ｓ肞WM波生成器帶PWM模塊的單片機(jī)單片機(jī)的定時器STC12C60S2 STC12C2052 皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制定時中斷法生成PWM波設(shè)51單片機(jī)晶振12MHz，利用P2.0口發(fā)出周期為10ms，占空比為50%的PWM波信號#include reg51.hsbit pwm=P20;unsigned char count=0;void main()TMOD=0 x01; /定時器0方式1TH0=0 xfc;TL0=0 x18; /定時1msET0=1;EA=

5、1;TR0=1;while(1);void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 xfc; TL0=0 x18; count+; if(count5)pwm=1; else if (count10)pwm=0; else count=0;pwm=1; 思考題：若需要占空比可調(diào)，程序應(yīng)如何修改？皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制（2）小直流電機(jī)的方向控制H橋電路 方向=1： PWM=1時，Y1=1；V1和V4導(dǎo)通 PWM=0時，Y1=0； V1和V4截至V2和V3一直截至皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制（2）小直流電機(jī)的方向控制H

6、橋電路 方向=0： PWM=1時，Y2=1；V2和V3導(dǎo)通 PWM=0時，Y2=0； V2和V3截至V1和V4一直截至皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制可逆PWM控制設(shè)51單片機(jī)晶振12MHz，通過H橋電路生成可逆PWM波，P2.0發(fā)出周期為10ms，占空比為50%的PWM波，P2.1控制方向。#include reg51.hsbit pwm=P20;sbit direct=P21;sbit key=P10; /由該引腳電平判斷正反轉(zhuǎn)unsigned char count=0;void main()TMOD=0 x01; /定時器0方式1TH0=0 xfc;TL0=0 x18;

7、 /定時1msET0=1;EA=1;TR0=1;while(1)scan();void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 xfc; TL0=0 x18; count+; if(count5)pwm=1; else if (countB光源在左側(cè)，小車左轉(zhuǎn)皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制尋光算法設(shè)計 情況二： AB光源在右側(cè)，小車右轉(zhuǎn)車頭安放兩路光敏電阻采樣電路，并用遮光板隔開。兩路電壓采樣值送AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果控制小車運(yùn)行方向。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制尋光算法設(shè)計 情況三： A=B若A,B大于閥值X，

8、則光源在車正前方，小車直行若A,B小于閥值X，則光源在車正后方，小車左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)/后退車頭安放兩路光敏電阻采樣電路，并用遮光板隔開。兩路電壓采樣值送AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果控制小車運(yùn)行方向。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制尋光算法設(shè)計 說明：|A-B|Z，表示光源在車的側(cè)方，若AB，則在左側(cè)；反之，則在右側(cè)。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制（4）智能小車設(shè)計實(shí)例其它功能 功能：測速、金屬探測、聲光報警等 速度/行程：方法一：反射式光電傳感器高（低）電平個數(shù)/4=車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)圈數(shù)*車輪周長=行程行程/時間=速度皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流

9、電機(jī)控制（4）智能小車設(shè)計實(shí)例其它功能 功能：測速、金屬探測、聲光報警等 速度/行程：方法二：霍爾感器傳感器對磁鐵極性有要求皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制（4）智能小車設(shè)計實(shí)例其它功能 功能：聲控、測速、金屬探測、聲光報警等 金屬探測：黑色線接單片機(jī)接近開關(guān)皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（一）：直流電機(jī)控制（5）智能小車設(shè)計總結(jié) 電機(jī)選擇：對于位置精度要求不高（厘米級）的小車，采用直流電機(jī)驅(qū)動。傳感器最好采用模塊，減少設(shè)計周期，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號 轉(zhuǎn)換成線 位移或角位移的電機(jī)。每來一個

10、電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動一 個角度，帶動機(jī)械移動一小段距離。特點(diǎn)：(1)給一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向分類：反應(yīng)式步距角小永磁式轉(zhuǎn)矩大混合式結(jié)合上述兩者優(yōu)點(diǎn)皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC 定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個齒。定子轉(zhuǎn)子皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 給定子繞組通電時，轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使

11、轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見：錯齒是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制相、拍、齒距角、步距角的概念“相”繞組的個數(shù) “齒距角” 轉(zhuǎn)子相鄰兩齒的夾角“拍”繞組的通電狀態(tài)。如：三拍表示一個周期共有3種通 電狀態(tài)，六拍表示一個周期有6種通電狀態(tài)，每個周 期步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個齒距角。 “步距角” 轉(zhuǎn)子每拍轉(zhuǎn)動的角度 步距角360/(NZ) N：步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù) Z：轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 結(jié)論：步距角反映出步進(jìn)電機(jī)的精度，步距角越小，該步進(jìn)電機(jī)能夠輸出的單位位移量越小。步距角與電機(jī)本身結(jié)

12、構(gòu)（轉(zhuǎn)子齒數(shù)）和工作方式（拍數(shù)）有關(guān)皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的工作方式單拍方式如三相步進(jìn)電機(jī)：三相單三拍CABBCA3412 A相繞組通電，B、C 相不通電。由于在磁場作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A極對齊。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的工作方式 同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30角，2、4齒和B、B 磁極軸線對齊；當(dāng)C相通電時，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C、C 磁極軸線對齊。CABBCA34121C342CABBA皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電

13、機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的工作方式單拍方式如三相步進(jìn)電機(jī)：三相單三拍 這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。 按AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過30(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過90(一個齒距角)。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的工作方式雙拍方式如三相步進(jìn)電機(jī)：三相雙三拍 按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的工作方式AB通電CABBCA3412BC通電341

14、2CABBCACA通電CABBCA3412 與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 (步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的工作方式單雙拍方式如三相步進(jìn)電機(jī)：三相六拍 按AAB B BC C CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制CABBCA3412CABBCA3412 A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A 對齊。 A、B相同時通電，A、A 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達(dá)左圖所

15、示位置。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制CABBCA3412 B 相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B 對齊,又轉(zhuǎn)過15。3412CABBCA B、C相同時通電，C 、C 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過15。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的工作方式小結(jié)：單拍實(shí)現(xiàn)簡單，性能較差雙拍轉(zhuǎn)矩較大，帶負(fù)載能力較強(qiáng)單雙拍步距角較小，控制精度較高皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制兩相步進(jìn)電機(jī)2a2b1a1b1000010000100001單拍通電方式：皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制2a2b1a1b110001

16、1000111001兩相步進(jìn)電機(jī)雙拍通電方式：皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制兩相步進(jìn)電機(jī)2a2b1a1b10001100010001100010001100011001單-雙拍通電方式：皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制兩相步進(jìn)電機(jī)2a2b1a1b10001100010001100010001100011001單-雙拍通電方式：皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動方式皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動方式void main() TMOD=0 x01; TH0=0 x3c; TL0=0 xb0;/定

17、時0.05s EA=1; ET0=1; EX0=1; TR0=1; while(1);void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 x3c; TL0=0 xb0; count+; if(count=10) count=0; P1=code1i; if(+i3)i=0; char count=0,i=0;unsigned char code14=0 x01,0 x02,0 x04,0 x08;unsigned char code24=0 x03,0 x06,0 x0c,0 x09;unsigned char code38=0 x01,0 x03,0 x02,0

18、x06,0 x04,0 x0c,0 x08,0 x09;P1.0 a+P1.1 b+P1.2 a-P1.3 b-皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動方式void main() TMOD=0 x01; TH0=0 x3c; TL0=0 xb0;/定時0.05s EA=1; ET0=1; EX0=1; TR0=1; while(1);void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 x3c; TL0=0 xb0; count+; if(count=10) count=0; P1=code1i; if(-imin)X-; if(+i3)i=

19、0; 皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制賽題分析：2003年任務(wù) 設(shè)計并制作一個液體點(diǎn)滴速度監(jiān)測與控制裝置。1、滴速可控2、儲液瓶液面超低報警皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制賽題分析：2003年傳感器選擇：紅外對管控制策略：儲液瓶高度、滴速夾松緊度皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制賽題分析：2007年通過小車的移動使蹺蹺板水平皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制賽題分析：2007年傳感器選擇：傾角傳感器輸出：0.5V4.5V對應(yīng)：-90度+90度Vout輸出至AD，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后決定小車的運(yùn)動方向。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二

20、）：步進(jìn)電機(jī)控制賽題分析：2005年控制方塊到達(dá)指定坐標(biāo)點(diǎn)皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制賽題分析：2005年傳感器選擇：光電傳感器（1）方塊沿Y軸方向移動，當(dāng)3、4檢測到黑線，縱軸坐標(biāo)+/-1（2）方塊沿X軸方向移動，當(dāng)1、2檢測到黑線，橫軸坐標(biāo)+/-1（3）方塊處于某坐標(biāo)點(diǎn)皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制賽題分析：2008年安徽省控制一支筆在白紙上寫字。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制賽題分析：2008年安徽省控制策略筆移動到b點(diǎn)，筆下落；從b移動到c；筆抬起，移動到a；筆下落，移動到g；移動到e；筆抬起，移動到g；筆下落，移動到f；皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制賽題分析：2008年安徽省控制算法插補(bǔ)法給定曲線基點(diǎn)坐標(biāo)，求得曲線中點(diǎn)坐標(biāo)的計算方 法。 插補(bǔ)形式： 直線插補(bǔ)；二次曲線插補(bǔ)（圓弧、拋物線、雙曲線） 折線逼近（逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)）： 根據(jù)插補(bǔ)計算出的中間點(diǎn)、產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動繪圖筆繪出圖形。皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院控制專題（二）：步進(jìn)電機(jī)控制賽題分析：2008年安徽省控制算法插補(bǔ)法x方向步數(shù)：Nx(xe-x0)/ x y方向步數(shù)：Ny(ye-y0)/ y x和 y是x和y軸步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角所產(chǎn)生的在x軸或y軸上的水平位移，稱為步長。