悬挂运动控制新版专业系统设计.docVIP

悬挂运动控制系统（E题） 摘要 本系统在嵌入式操作系统基础上，使用两块单片机协调工作，对悬挂物体运动进行实时控制。系统经过两个步进电机配合完成了平面任意曲线运动，经过光电传感器配合循迹算法快速有效地完成了循迹运动。运动精度为毫米级，过渡时间不超出1分钟。同时，使用了点阵式LCD配合PS/2鼠标等外围设备，提供了良好交互界面。 Abstract This design bases on an embedded operating system, and uses two pieces of SCM to take real time control of a suspender’s movement in a planar plane. The system can move in any designed way with the cooperation of two step-motors, and do a quick tracing movement because of a special arithmetic, which is based on an array of photoelectric sensors. The position’s precision of the movement can achieve a level of millimeter, and its transition time is less than 1 minute. Meanwhile, with a LCD and a mouse which follows PS/2 protocol and other input/output devices, it can provide a friendly and humanistic man-machine conversation. 一、方案论证和比较 从控制系统角度来看，采取闭环控制方法比采取开环控制效果要好。但在闭环方法控制系统中，通常全部需要反馈信息。就本赛题而言，假如使用闭环方法进行控制，系统必需得到物体位置反馈信息。 在方案论证过程中，我们发觉要取得物体位置反馈信息相当困难，采取纯粹闭环方法控制难度太大。同时，我们发觉假如采取步进电机作为控制系统实施机构话，因为步进电机在不失步时不产生累计误差特征，能够使用开环控制方法。经计算表明，采取较小步距角电机和不太大绕线轴半径时，系统能够很好地满足赛题设计指标要求。 所以，决定使用步进电机控制方案，整个系统总体控制结构是开环。以此为基础，下面对系统各子模块方案进行论证。 1）电机驱动方案 方案一：使用专用电机驱动芯片。专用驱动芯片内部压降通常比较低，在驱动电路上功耗较低。所以是一个比较适宜选择。 方案二：使用分立器件自做电机驱动电路。能够用场效应管搭建H桥式驱动电路，简单方便。但假如器件选择不妥，可能会产生较大压降，附加功耗增加，使电途经热甚至烧毁电路。 从系统稳定性和功耗上考虑，本系统选择了方案一。 2）单片机结构方案 方案一：使用单MCU结构。单MCU结构能够有效利用单片机硬件资源，在系统现有硬件基础上尽可能实现系统更多功效，这是每一个系统设计者努力追求目标。为了降低系统硬件成本，使用单MCU结构是很好方案。 方案二：使用双MCU结构。就本赛题来说，其硬件制作相对较少，怎样在有限几天内愈加好地利用人力资源，开发出愈加好、更完善系统将成为一个必需面正确问题，而且双MCU结构易于扩展升级。所以，本系统使用了双MCU结构来开发系统软件。 3）循迹模块方案 方案一：采取CCD传感器，经过图像识别确定黑线轨迹。此方案循迹稳定，但实现难度较大。 方案二：采取反射式红外传感器，依据白纸和黑线反射率不一样分辨轨迹。使用传感器组成阵列能够探测出轨迹全部延伸方向，满足循迹要求。 本系统使用了方案二。 4）输入输出模块方案 良好人机交互界面使得设计愈加人性化。为方便操作者对整个控制过程有直观认识，决定使用240×128点阵式LCD实时地显示运动物体运动轨迹和参数。同时，为了扩展系统性能和方便操作，系统在使用4×4键盘基础上再添加一个PS/2鼠标，计划用来任意操作物体移动。 经上述方案设计和论证，得到系统总体框架图图1所表示。 图1 系统总体方框图 二、系统原理和分析 1．步进电机特征 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移开环控制元件。在非超载情况下，电机转速、停止位置只取决于脉冲信号频率和脉冲数，而不受负载改变影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系存在，使得步进电机只有周期性误差而无累积误差。这一特征是整个系统方案基础。 为了不产生累积误差，必需确保步进电机运行不失步。这和其运行矩频特征亲密相关，图