悬挂运动控制系统设计

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1、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，对悬挂物体的运动进行实时控制。系统通过两个步进电机的配合完成了平面任意曲线运动，通过光电传感器配合循迹算法迅速有效地完成了循迹运动。运动的精度为毫米级，过渡时间不超过1分钟。同时，使用了点阵式LCD配合PS/2鼠标等外围设备，提供了良好的交互界面。AbstractThisdesignbasesonanembeddedoperatingsystem,andusestwopiecesofSCMtotakerealtimecontrolofasuspender’smovementinapla

2、narplane.Thesystemcanmoveinanydesignedwaywiththecooperationoftwostep-motors,anddoaquicktracingmovementbecauseofaspecialarithmetic,whichisbasedonanarrayofphotoelectricsensors.Theposition’sprecisionofthemovementcanachievealevelofmillimeter,anditstransitiontimeislessthan1minute.Meanwhile,

3、withaLCDandamousewhichfollowsPS/2protocolandotherinput/outputdevices,itcanprovideafriendlyandhumanisticman-machineconversation.一、方案论证与比较从控制系统的角度来看，采用闭环控制方式比采用开环控制的效果要好。但在闭环方式的控制系统中，一般都需要反馈信息。就本赛题而言，如果使用闭环方式进行控制，系统必须得到物体位置的反馈信息。在方案论证的过程中，我们发现要取得物体位置反馈信息相当困难，采用纯粹的闭环方式控制的难度太大。同时，我们发现如果采用步

4、进电机作为控制系统的执行机构的话，由于步进电机在不失步时不产生累计误差的特性，可以使用开环的控制方式。经计算表明，采用较小步距角的电机和不太大的绕线轴半径时，系统可以很好地满足赛题的设计指标要求的。因此，决定使用步进电机控制的方案，整个系统的总体控制结构是开环的。以此为基础，下面对系统各子模块的方案进行论证。1）电机驱动方案方案一：使用专用电机驱动芯片。专用驱动芯片内部的压降一般比较低，在驱动电路上的功耗较低。因此是一种比较合适的选择。方案二：使用分立器件自做电机驱动电路。可以用场效应管搭建H桥式驱动电路，简单方便。但如果器件选择不当，可能会产生较大的压降，附加功耗

5、增加，使电路过热甚至烧毁电路。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结构可以有效利用单片机的硬件资源，在系统现有硬件的基础上尽量实现系统更多的功能，这是每一个系统的设计者努力追求的目标。为了降低系统硬件成本，使用单MCU结构是较好的方案。方案二：使用双MCU结构。就本赛题来说，其硬件制作相对较少，如何在有限的几天内更好地利用人力资源，开发出更好的、更完善的系统将成为一个必须面对的问题，而且双MCU结构易于扩展升级。因此，本系统使用了双MCU的结构来开发系统软件。3）循迹模块方案方案一：采用CCD传感器，通过

6、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：采用反射式红外传感器，根据白纸与黑线的反射率不同辨别轨迹。使用传感器组成阵列可以探测出轨迹的所有延伸方向，满足循迹的要求。本系统使用了方案二。4）输入输出模块方案良好的人机交互界面使得设计更加人性化。为方便操作者对整个控制过程有直观的认识，决定使用240×128点阵式LCD实时地显示运动物体的运动轨迹和参数。同时，为了扩展系统性能和方便操作，系统在使用4×4键盘的基础上再添加一个PS/2鼠标，打算用来任意操作物体的移动。经上述方案设计与论证，得到系统的总体框架图如图1所示。图1系统总体方框图二、系统原理与

7、分析1．步进电机特性步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，使得步进电机只有周期性的误差而无累积误差。这一特性是整个系统方案的基础。为了不产生累积误差，必须保证步进电机的运行不失步。这和其运行矩频特性密切相关，如图2所示。图2运行转距－频率特性可见，对步进电机的驱动信号存在一个必须避开的频率――共振频率f0。在本系统中，使用了电机是四相步进电机，步距角为1.8°，采用四相八拍驱动方式，最