懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(設(shè)計(jì)報(bào)告)

懸掛運(yùn)動(dòng)限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告一．方案的選擇與比較1．主體限制方案比較方案1.閉環(huán)數(shù)字限制方式閉環(huán)數(shù)字限制方式，主要利用光電傳感器檢測(cè)法，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。首先單片機(jī)依據(jù)輸入的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算物體要移動(dòng)的距離并限制物體往坐標(biāo)的也許方向運(yùn)動(dòng)，紅外放射接收器來(lái)探測(cè)懸掛物體移動(dòng)了多少個(gè)1*1cm的小方格,并經(jīng)過(guò)A/D送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)特定的算法計(jì)算出物體的坐標(biāo)，并限制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)限制物體往坐標(biāo)進(jìn)發(fā)，在此過(guò)程中單片機(jī)不斷計(jì)算，不斷調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向使懸掛物體做肯定路途的移動(dòng)。但其缺點(diǎn)是，電路困難，不但要求要有A/D電路，光電探測(cè)電路，還要其電路要做得特別精確。任何一個(gè)電路設(shè)計(jì)得不好，也會(huì)使物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的偏差。圖1閉環(huán)數(shù)字限制方案2.開(kāi)環(huán)數(shù)字限制方式開(kāi)環(huán)數(shù)字程序限制方式,即沒(méi)有反饋系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)數(shù)字限制的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由圖可看出，此種限制方式與上面的限制方式少了反饋電路。單片機(jī)由輸入的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算物體要移動(dòng)的距離，干脆發(fā)出限制脈沖來(lái)限制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而限制物體的運(yùn)動(dòng)方向。由于少了反饋電路，系統(tǒng)的精度只與單片機(jī)所采納的算法精確性有關(guān)，此種方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，成本低且易于調(diào)整和維護(hù)，是一種較志向的方式。圖2開(kāi)環(huán)數(shù)字限制方式綜合上面所述，考慮時(shí)間和調(diào)試的困難性，本設(shè)計(jì)采納方案2。2．電機(jī)選擇方案1.直流電機(jī)。直流電機(jī)又分為直流無(wú)刷電機(jī)和直流有刷電機(jī)，是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)潔的限制性能，高的效率，但其數(shù)字限制方面較難把握。方案2.步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是多種機(jī)電設(shè)備中被廣泛應(yīng)用的一種電機(jī)，它主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子的主要結(jié)構(gòu)是繞組。三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)分別有三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)繞組，其它以此類推。繞組按肯定的通電依次工作著，這個(gè)通電依次我們稱為步進(jìn)電機(jī)的“相序”。轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)是磁性轉(zhuǎn)軸，當(dāng)定子中的繞組在相序信號(hào)作用下，有規(guī)律的通電、斷電工作時(shí)，轉(zhuǎn)子四周就會(huì)有一個(gè)按此規(guī)律變更的電磁場(chǎng)，因此一個(gè)按規(guī)律變更的電磁力就會(huì)作用在因此轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此特別適合于單片機(jī)限制。另外步進(jìn)電機(jī)還有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快易于起停，易于正反速及變速等優(yōu)點(diǎn)。綜合上面所述，為易于單片機(jī)限制，本設(shè)計(jì)采納方案2。3．驅(qū)動(dòng)方式的選擇我們知道步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)用脈沖電源工作。開(kāi)關(guān)管是依據(jù)限制脈沖的規(guī)律“開(kāi)”和“關(guān)”，使直流電源以脈沖方式向繞組L供電，這一過(guò)程我們稱它為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。（1）單電壓驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電(如圖3所示)。它的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)潔，一般只用于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。圖3單電壓驅(qū)動(dòng)原理圖圖4雙電壓驅(qū)動(dòng)原理圖（2）雙電壓驅(qū)動(dòng)雙電壓驅(qū)動(dòng)是用提高電壓的方法使繞組中的電流上升波形變陡(如圖4所示)。它的基本思路是在低頻段運(yùn)用較低的電壓驅(qū)動(dòng)，在高頻段運(yùn)用較高的電壓驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方法在低頻段具有單電壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在高頻段具有良好的高頻性能。本設(shè)計(jì)考慮到變壓器,因采納了單電壓驅(qū)動(dòng).4．系統(tǒng)組成經(jīng)過(guò)方案比較與論證,最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖5所示.其中單片機(jī)用89S52,驅(qū)動(dòng)用1TIP122,驅(qū)動(dòng)用液晶顯示.圖5系統(tǒng)限制硬件總框圖二．軟件設(shè)計(jì)對(duì)與一個(gè)開(kāi)環(huán)限制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),最重要的就是它的算法的選擇,然后就是針對(duì)算法的編程.1．限制算法的比較方案1.逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)算法逐點(diǎn)比較法是數(shù)控機(jī)床中廣泛采納的一種軟件插補(bǔ)算法，該方法普遍用于二坐標(biāo)數(shù)控加工系統(tǒng).所謂逐點(diǎn)比較法就是在繪圖過(guò)程中,繪圖筆每移動(dòng)一步都要與志向線路進(jìn)行比較,然后確定下一步的移動(dòng)方向用步步修正的方法畫出所期望的線段.逐點(diǎn)比較法的基本原理是斜率比較法．即線段的起點(diǎn)與筆當(dāng)前的位置構(gòu)成的直線斜率與要繪線段斜率進(jìn)行比較．當(dāng)前者斜率小于后者斜率時(shí)，筆應(yīng)當(dāng)向Ｙ方向走一步．當(dāng)前者斜率大于后者斜率時(shí)，筆應(yīng)當(dāng)向Ｘ方向走一步．如圖6所示，ＯＡ為欲畫的路途，Ｍ１為畫筆起先所在的位置，當(dāng)ＯＡ的斜率小欲畫線段的斜率時(shí)，ＯＡ向＋Ｙ方向移動(dòng)一步，到達(dá)Ｍ２點(diǎn)．然后再用線段ＯＭ２的斜率與ＯＡ的斜率進(jìn)行比較，當(dāng)ＯＭ２的斜率大欲畫線段ＯＡ斜率時(shí),ＯＡ向＋Ｘ方向移動(dòng)一步。圖6逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)算法方案2.逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)算法．圓弧軌跡插補(bǔ)不同于直線，一段圓弧可能跨越幾個(gè)象限。每當(dāng)一段圓弧跨過(guò)象限后，原來(lái)的偏差計(jì)算、坐標(biāo)計(jì)算式必需進(jìn)行修改。在插補(bǔ)過(guò)程中每走一步必需檢查是否會(huì)跨越象限，一旦查到跨越象限，就要依據(jù)順圓或逆圓改進(jìn)進(jìn)入該象限的一套計(jì)算方法。傳統(tǒng)的過(guò)象限處理是采納查表的方法，即用舊的標(biāo)記字通過(guò)查表取得新標(biāo)記字，替換舊標(biāo)記字，當(dāng)再次進(jìn)行插補(bǔ)時(shí)，依據(jù)新的標(biāo)記字進(jìn)行插補(bǔ)和進(jìn)給。查表法處理起來(lái)相當(dāng)麻煩。符號(hào)判別法是依據(jù)動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)本身位置的變更自動(dòng)轉(zhuǎn)換運(yùn)算和判別，自動(dòng)轉(zhuǎn)入其他象限，變更偏差計(jì)算、坐標(biāo)計(jì)算式。方案3.數(shù)學(xué)建模法。數(shù)學(xué)建模法是指用數(shù)學(xué)方法，運(yùn)用幾何學(xué)問(wèn)（極坐標(biāo)）把圓上的點(diǎn)和兩個(gè)電機(jī)所在的位置聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)相關(guān)計(jì)算把圓上的點(diǎn)的坐標(biāo)用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成電機(jī)所要轉(zhuǎn)動(dòng)的偏移量，最終把偏移量轉(zhuǎn)化為電機(jī)所要轉(zhuǎn)的速度。此方法，計(jì)算困難，但所得數(shù)據(jù)較為精確，只要編程正確，用電機(jī)所畫出來(lái)的線就不會(huì)編差大。上述幾種方法我們都嘗試編程,但在調(diào)試過(guò)程中,前兩種方法的誤差比較大.達(dá)不到競(jìng)賽的要求，最終我們只能采納方案3。采納方案3的算法相當(dāng)困難,而且要經(jīng)過(guò)了多數(shù)次調(diào)試.2．程序的總流程在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總流程中.比較簡(jiǎn)潔.但在子程序相當(dāng)困難.程序總圖如圖6所示圖6程序的總流程2.1直線的計(jì)算和編程從圖7我們可以看到假設(shè)原點(diǎn)坐標(biāo)X0,Y0,要達(dá)到的坐標(biāo)點(diǎn)X1,Y1圖7直線算法圖那么到坐標(biāo)點(diǎn)的距離LL=我們沒(méi)有采納Y=KX+B的直線方程,而是把L的長(zhǎng)度分為COUNT_L等分即COUNT_L=我們計(jì)算出每一個(gè)增量INC_X,INC_YINC_X=INC_Y=我們假設(shè)一個(gè)變量,的范圍從1----COUNT_L所以每走一步的坐標(biāo)值XX=*INC_X+X0YY=*INC_Y+Y0部分程序如下所示:/**隨意尋點(diǎn)*********************/voiddraw_line(uintx0,uinty0,uintx1,uinty1)//(x0,y0):起點(diǎn)坐標(biāo)，(x1,y1):停止點(diǎn)坐標(biāo){ floatL_l0,L_r0,L_l,L_r;intuinc_Ll,uinc_Lr; intm,n; L_l0=sqrt((x0+15)*(x0+15)+(115-y0)*(115-y0));//左邊繩的原長(zhǎng) /*write_coor(L_l0);*/ L_r0=sqrt((95-x0)*(95-x0)+(115-y0)*(115-y0));//右邊繩的原長(zhǎng) /*write_coor(L_r0);*/ L_l=sqrt((x1+15)*(x1+15)+(115-y1)*(115-y1));//到達(dá)指定坐標(biāo)后左邊的繩長(zhǎng)L_r=sqrt((95-x1)*(95-x1)+(115-y1)*(115-y1));//到達(dá)指定坐標(biāo)后右邊的繩長(zhǎng) if(L_l>=L_l0&&L_r>=L_r0)//12都正轉(zhuǎn) { uinc_Ll=(L_l-L_l0)/0.125; uinc_Lr=(L_r-L_r0)/0.125; if(uinc_Ll>=uinc_Lr) { m=uinc_Ll-uinc_Lr; n=uinc_Ll-m; write_coor(n); drive_motor12_F(n); drive_motor1_F(m); } else { m=uinc_Lr-uinc_Ll; n=uinc_Lr-m; write_coor(m); drive_motor12_F(n); P1=0x00; drive_motor2_F(m); }}if(L_l<L_l0&&L_r<L_r0)//12都反轉(zhuǎn) { uinc_Ll=(L_l0-L_l)/0.125; uinc_Lr=(L_r0-L_r)/0.125; if(uinc_Ll>=uinc_Lr) { m=uinc_Ll-uinc_Lr; n=uinc_Ll-m; drive_motor12_B(n); drive_motor1_B(m); } else { m=uinc_Lr-uinc_Ll; n=uinc_Lr-m; drive_motor12_B(n); drive_motor2_B(m); } } if(L_l>=L_l0&&L_r<L_r0)//1正2反 { uinc_Ll=(L_l-L_l0)/0.125; uinc_Lr=(L_r0-L_r)/0.125; if(uinc_Ll>=uinc_Lr) { m=uinc_Ll-uinc_Lr; n=uinc_Ll-m; drive_motor12_FB(n); drive_motor1_F(m); } else { m=uinc_Lr-uinc_Ll; n=uinc_Lr-m; drive_motor12_FB(n); drive_motor2_B(m); } } if(L_l<L_l0&&L_r>=L_r0)//1反2正 { uinc_Ll=(L_l0-L_l)/0.125; uinc_Lr=(L_r-L_r0)/0.125; if(uinc_Ll>=uinc_Lr) { m=uinc_Ll-uinc_Lr; n=uinc_Ll-m; drive_motor12_BF(n); drive_motor1_B(m); } else { m=uinc_Lr-uinc_Ll; n=uinc_Lr-m; drive_motor12_BF(n); drive_motor2_F(m); } }}我們可以看到畫直線的程序的困難性.2.2圓的的計(jì)算和編程在圓弧的編程中,它的算法比直線的算法更困難.從圖我們可以看到假設(shè)圓心坐標(biāo)X0,Y0,半徑為R圓上的一點(diǎn)坐標(biāo)為XQ,YQXQ=X0+RYQ=Y0而我們把圓分成360度,即設(shè)一個(gè)變量,的范圍從1到360,每走一小步的坐標(biāo)值XX,YYXX=YY=那么它的力臂LL,LRLL=LR=而原點(diǎn)坐標(biāo)的力臂LL0,LR0LL0=LR0=因此力臂的增量為L(zhǎng)L,LR△LL=LL-LL0△LR=LR-LR0因我們的步進(jìn)不同,所以它的增量分別為0.039,0.078.最終才計(jì)算出要給的脈沖數(shù)COUNT_L,COUNT_RCOUNT_L=COUNT_R=部分程序程序如下:/**畫圓*********************/voiddraw_circularity(floatrr,floatx0,floaty0)//rr:半徑，(x0,y0):圓心坐標(biāo){floatL_l,L_r,L_l0,L_r0,inc_Ll,inc_Lr,xx,yy,xxx;intcount_l,count_r,i;L_l0=sqrt((x0+rr+15)*(x0+rr+15)+(115-y0)*(115-y0));//(x0+rr,y0):畫圓起點(diǎn)坐標(biāo)L_r0=sqrt((95-x0-rr)*(95-x0-rr)+(115-y0)*(115-y0));for(i=1;i<=360;i++){xx=rr*cos(pai*i/180)+x0;xxx=xx;yy=rr*sin(pai*i/180)+y0;L_l=sqrt((xx+15)*(xx+15)+(115-yy)*(115-yy));L_r=sqrt((95-xx)*(95-xx)+(115-yy)*(115-yy));inc_Ll=L_l-L_l0;inc_Lr=L_r-L_r0;count_l=inc_Ll/step_l+(inc_Ll>=0?0.5:-0.5);//左步進(jìn)電機(jī)每步弧長(zhǎng)（厘米）count_r=inc_Lr/step_r+(inc_Lr>=0?0.5:-0.5);//右步進(jìn)電機(jī)每步弧長(zhǎng)（厘米）drive_motor(count_l,count_r);delay(50);//延時(shí)50msL_l0=L_l;L_r0=L_r;}}2.3坐標(biāo)的顯示和編程坐標(biāo)的顯示和編程就是把每走一步走的距離顯示在液晶上，通過(guò)調(diào)用液晶子程序，把變量寫入。三、系統(tǒng)測(cè)試為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，我們對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了測(cè)試。位置測(cè)試如下：直線測(cè)試表起始點(diǎn)坐標(biāo)（X0，Y0）輸入坐標(biāo)（X，Y）實(shí)際測(cè)量