(06賽)擺錘運動控制系統(tǒng)論文

1、 擺錘運動控制系統(tǒng)論文摘要：電動機作為最主要的動力源或運動源，在生產和生活中占有重要的地位，電動機的調速控制過去用模擬法。隨著計算機的產生和發(fā)展及新型電力電子功率器的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制也發(fā)生了深刻的變化。模擬控制已逐漸被使用以單片機為主的確混合控制和全數(shù)字控制所取代。我們采用單片機控制步進電機，通過io口輸出具有時序的方波作為步進電機的控制信號。信號經過l298n驅動步進電機使其可以帶動支架擺動。通過鍵盤輸入改變步進電機的運行狀態(tài)，從而對擺錘的擺動頻率進行控制，并用紅外光管對擺錘的周期進行檢測。在支架上固定強力磁鐵，使其與作為擺錘的小磁鐵產生引力作用以帶動擺錘運動。顯示擺錘的周期采用lcd

2、顯示器。當擺錘達到所要求的a、b點時用蜂鳴器作聲音提示。關鍵字：單片機控制步進電機 余弦計算控制電機脈沖 lcd顯示控制 一、 方案比較方案一：用小的永久磁鐵作為擺錘，利用永久磁鐵之間的引力。如圖（1）所示，使擺錘和作為控制的磁鐵依次吸合，從而控制擺錘的運動。例如，當擺錘向左起振時，則通過單片機控制使控制磁鐵從第0塊開始，從右到左依次升高。則此時擺錘與從右到左的磁鐵間的距離不同，擺錘會與其距離最近的磁鐵吸合。但這種方案要求單片機比較精確地控制磁鐵的運動，而且控制磁鐵的上下運動是機械運動。當要求擺錘的擺動頻率升高時，控制磁鐵間的引力很大，阻礙了控制磁鐵的上升和下降運動，從而抑制擺錘的擺動頻率的升

3、高。 bcda 圖 （1） 圖（2）永久磁鐵 方案二：用小鐵球作為擺錘，采用電磁感應器組控制。如圖（2）所示。在a、b、c、d四處各放上一個電磁感應器。通過單片機控制這些電磁感應器的通斷。由于當電磁感應器開啟后，其中的磁感線圈會和小球產生磁力作用，通過改變不同電磁感應器的開啟和關閉的順序即可改變小球的運動方向，從而達到控制擺錘小球運動的目的。但是這種方法的缺點也很明顯。這種方法對小球的作用力不均勻，亦即小球的擺速不好確定，還要考慮電磁感應器產生的感生電動勢對小球的影響，會使小球的運動情況變得十分復雜，不利于分析和處理，也很難達到題目的要求。而且電磁感應器在市場上較難買到，從經濟實際上考慮，也不

4、是一種好方法。方案三：用小的吸附有小磁鐵的小物體作為擺錘，利用雙相步機電動機控制一“l(fā)”型支架，支架上固定有一強力磁鐵。如圖（3）所示。由于磁鐵與擺錘之間的引力作用，擺錘會隨著支架的運動而運動。所以只要對支架進行控制從而帶動擺錘的運動即可。由于步進電機可將脈沖轉變?yōu)榻俏灰坪途€位移，我們通過步進電機的齒輪與另一個大的齒輪相配合，再對支架進行控制。由于雙相步進電機的步距為度，通過以上處理后，我們可以比較為精確地對支架的運動狀態(tài)進行控制，而且也減小了擺錘的擺幅誤差。而且擺錘的擺動頻率的控制可以在軟件中比較簡單、靈活地進行控制。該方案很好地達到了題目的要求。通過比較，對本題而言，方案三有很明顯的優(yōu)越性

5、，避免了擺幅誤差，而且也避免了如方案一和方案二所出現(xiàn)的一些比較難控制和解決的問題，很好地吻合了題目的大部分要求，所以我們采用了方案三。 圖（3） 步進電機支架擺錘磁鐵 二、設計與論證在系統(tǒng)設計過程中，我們的總原理圖如圖（4）所示。圖（4） 硬件總原理圖（1） 電機的選擇與調速性能好、調速范圍寬廣、調速特性平滑過載能力較強且熱動和制動轉矩較大的直流電機相比，由于其最大弱點就是有電流的換向問題，不能很好地達到我們的目的。而步進電機是用電脈沖信號進行控制，每加一次脈沖信號后僅轉動一定角度，它可以精確地控制轉動的角度。在非超載的情況下，電機的轉速，停止的位置只取決于脈沖信號和頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變

6、化和外部環(huán)境的變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差的特點，使得在速度、位置與控制操作變得很簡單，同時步進電機具有快速啟停，精確步進以及能直接接收數(shù)字量的特點，綜合以上所有優(yōu)點，我們采用步進電機。（2） 電機驅動電路的選擇從步進電機的原理來看，步進電機的轉子由按照串聯(lián)電極排列的永磁體構成，它們決定了每步的大小。定子中含有多個繞組，產生的磁場與轉子的永磁體之間產生互相作用?？刂齐娐樊a生的一個脈沖序列使定子繞組的電源接通和中斷，電機便產生正向或反向旋轉。定子脈沖序列反向就會改變旋轉方向，而由脈沖的頻率控制旋轉速度。要使一

7、個步進電機旋轉，必須不斷地使繞組通電和斷電。反之，如果一個繞組持續(xù)給予能量，則電機會停止旋轉，通過保持力矩使之維持在某個角度位置上。因而它們能夠以非連續(xù)的步長進行運動，產生精確的角度位置信息，它直接由電脈沖信號進行控制。所以，步進電機的驅動系統(tǒng)如其驅動系統(tǒng)框架圖所示，它由需要控制電機旋轉方向與轉速等的控制裝置、將來自控制裝置的信號轉換為脈沖的脈沖發(fā)生器以及對各繞組順序分配脈沖電流的驅動電路構成。控制信號控制裝置 正轉反轉脈沖發(fā)生器cwccw驅動電路abab+ 電動機 圖（5）步進電機驅動系統(tǒng)框架圖比較其驅動方式，分單極性驅動方式、雙極性驅動方式恒流驅動方式等等。由于單極性驅動方式低速時轉矩特性

8、差，而高速特性非常好，與題目要求不符。雙極性驅動方式的控制精度高，而且低速時可獲得較大的轉矩，比較符合題目要求。雙極性驅動電路大致可以分為兩種，一種是采用正負雙電源方式，這是在2個晶體管連接點與電源中點接步進電機的驅動繞組方式。但需雙電源供應，實際應用中不常采用。第二種是采用單電源方式，這是采用2組晶體管的全橋方式。經過比較，基于集成電路性能的穩(wěn)定性，在步進電機的眾多由集成芯片構成的驅動電路中，我們采用由l298構成的驅動電路。l298芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50v，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的io口提供信號；而且電路簡單，使用比

9、較方便且價格不高，故選用l298驅動電機。其驅動電路如圖（6）所示，其中采用兩組二極管用于吸收步進電機所產生的浪涌。圖（6） l298驅動步進電機電路（2）系統(tǒng)的硬件處理我們采用“l(fā)”型支架，并在支架上固定一磁鐵，擺錘亦采用小磁鐵，質量約在20g50g范圍之內。如圖（3）所示。則由同極相斥，異極相吸的原理，當磁鐵與擺錘距離在一定范圍內，即可使擺錘與磁鐵兩者的相對位置保持不變。只要控制磁鐵的運動，即支架的運動就可以對擺錘的運動進行控制。為了更加精確地控制支架的運動，我們用另一有118齒的齒輪與步進電機的18齒齒輪相配合。由于步進電機的步距角為度，則大齒輪每轉一格，支架僅轉動約度，可以達到所需的精

10、度要求。在擺錘系統(tǒng)的初始狀態(tài)，使支架固定在某一離開中線的位置，使擺錘自然下垂。在硬件電路中設置五個功能鍵：s1：起擺按鈕；s2：加速擺動按鈕；s3：減速擺動的按鈕；s4：停擺按鈕；s5：復位按鈕。當按下s1時，步進電機驅動電路驅動步進電機開始工作，帶動支架起擺，當支架經過擺錘所在平面時，擺錘與支架上的磁鐵之間的引力作用，使擺錘隨支架一起運動。當按下s2鍵時，如果擺錘正處于運動狀態(tài)，則采用當擺錘經過最低點時作為狀態(tài)的改變點。當最低點處的紅外光接受到信號時，即按鍵后擺球第一次回到最低點時，擺錘開始進行加速運動。同理，按下s3鍵時，擺球在第一次回到最低點時，擺錘開始進行減速運動。當按下s4鍵時，擺錘

11、會在一定的緩沖時間內停止運動。這是我們添加的功能。當按下s4鍵時，單片機中會產生信息直接控制支架停止運動，擺錘自然停止。此外，s5作為復位鍵，其功能為單片機硬件復位。（3）軟件工作原理在我們的設計方案里，硬件部分電路簡易且容易操作，這全歸功于軟件的設計。在軟件部分，我們應用單片機控制了步進電機轉動。軟件部分的主要流程如圖（7）所示。 主模塊lcd顯示模塊單擺控制模塊中點紅外光管控制模塊外部中斷模塊雙定時器中斷模塊圖（7） 按下起擺按鈕s1開始 no yes調用擺錘函數(shù)按下停止按鈕s4 no yes調用擺錘與磁鐵分離函數(shù)為了能使擺錘的運動接近自然，我們經過精細的計算，以單片機的定時中斷來控制擺錘

12、擺動一個周期每個脈沖所占用的時間。從而使擺球能盡量按我們所規(guī)定的周期擺動，并且在遇到外部中斷時能及時處理。（4）擺錘的周期檢測由于采用步進電機進行控制，而且我們在步進電機的齒輪上加配合了一個有118齒的大齒輪，所以為了使擺錘轉動最大角為離中線205度的范圍，即大齒輪在1/4個周期中大約要轉過7齒。又電機只有18個齒，所以需要電機在1/4周期內要轉過約140度，而步進電機的步距角為度，則需要19個脈沖對其進行控制。只要利用單片機在1/4個周期內產生19個脈沖對步進電機進行控制，即可以滿足題目對轉角的幅度要求，單片機完全可以達到要求。（5） 擺錘周期的顯示和聲音提示與led相比，液晶顯示器lcd具

13、有微功耗，體積小，顯示內容豐富，超薄輕巧等特點。正因為如此，在顯示部分，我們采用lcd進行顯示。lcd與單片機的接口如圖（8）所示：圖（8） lcd的接口示意圖由于題目只要求進行聲音提示達到a、b點的時間，為了簡化電路圖，我們不采用語音芯片等較為復雜的電路，而只用蜂鳴器作為聲音提示。（5）紅外光管的檢測由于單片機需要對擺錘是否到達最高點、最低點進行判斷，我們用紅外光管進行檢測。我們把紅外光管固定在a、b、o三點，當擺錘經過時，紅外光管檢測到信息，并把信息傳遞到單片機中，單片機便執(zhí)行相應的功能。紅外對管電路如圖（9）所示圖（9）三、理論分析與計算（1）擺錘周期的確定在擺錘周期的確定中，我們采用紅

14、外對管接收特定信號作為周期確定的標準。由于此紅外光管處于擺錘最低點的正下方，每次支架經過最低點，紅外光管都會接收到信號，但作為判斷周期的標準的信號具有：當以初始狀態(tài)的紅外光管接收到信號記為紅外光管第0次接收到信號，則我們在軟件的設計中采用自動屏蔽紅外光管第奇數(shù)次接收到的信號，以兩次接收到信號的時間間隔作為擺錘周期。這種設計避免了lcd顯示器在顯示時出現(xiàn)的各種顯示的錯誤，大大地提高了編程的準確性。（2）擺錘周期的計算為了讓擺錘擺動得自然，則擺錘與最低點的距離應滿足正弦函數(shù)的關系，如圖（10）所示。所以擺錘的速度與時間應滿足余弦函數(shù)的關系。在1/4周期內，第n個脈沖與速度間有vn=cosn *pi

15、/(2*19) （1）式又因為擺錘做變速圓周運動,所以vn和角速度w之間應呈正比,即vn=r*w=r*x/tn （2）式x為轉過的角度，由上圖即有vn與tn成反比，所以 tn=r*x/vn （3）式而vn可由（1）式求出，所以可以依次求出t1、t2tn，而 t1+t2+tn=t/4即可從中得出t的值。 s v t t 圖（10）四、測試方法及結果分析（1）擺錘達到穩(wěn)定時間測試以擺錘的起擺作為計時的起點，記錄其達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間t1。重復該操作5次，即可得6組數(shù)據(jù)，并對其取平均值得t1。若t110s,則符合題目要求,否則不符要求。123456tt 3由測試結果來看，我們設計的方案在平均約為

16、遠小于要求的8s的時間范圍要求，可以完成很穩(wěn)定的擺動。（2）擺錘周期的測試當擺錘進入穩(wěn)定狀態(tài)后，選擺錘到達最高點時作為計時起點，當擺錘完成10個周期的運動時，停止計時。計算此次測試的平均周期t2，并重復此操作5次，再對此六次的測試值取平均值即平均周期t2。同時記錄lcd上顯示的周期t3，同樣取其平均值t3。比較t2和t3即可得顯示周期與實際周期的誤差水平，即可進行誤差分析。 123456t(平均)t 1t 2從以上數(shù)據(jù)可得，無論是實際測量的周期值，還是實際的液晶顯示的數(shù)值都與理論值都非常接近，運用余弦的算法，與我們在單片機上設計時間（）非常吻合。（3）受人為干擾后穩(wěn)定時間測試同前面的方法一樣，

17、測試并計算擺錘從受干擾到穩(wěn)定擺動的平均時間t4。列入下表：123456tt以上數(shù)據(jù)與我們的所設計的標準有出入，由于我們設計的擺錘在開始與結束的時候可以與支架分開，所用的磁鐵比較小，以便軟件控制它們分開，實際效果很好，但因此也影響了人為干擾后的穩(wěn)定時間。（4）結束語在此次的設計過程中，我們遇到了很多的問題。在硬件電路中芯片的選擇，與熟悉芯片的使用，在焊好數(shù)碼管動態(tài)顯示后發(fā)現(xiàn)在總程序中顯示效果很差，后來用了lcd顯示，。在軟件的調試中遇到的問題更多，用仿真，一步步地把程序調試出來，特別是在運用余弦函數(shù)計算脈沖寬度，計算的軟件非常龐大，占用了很大篇幅，各種子函數(shù)的接合更是出現(xiàn)了無數(shù)的錯誤，但正確后成

18、功的喜悅更是讓人興奮！硬件跟軟件配合基本上達到了設計的要求，能夠通過鍵盤控制擺錘的擺動，且控制的擺錘擺動自然，（算法符合固有頻率）在兩邊的a，b點都有聲音提示，且擺錘的擺幅在40度左右偏差不大完全符合要求！在使擺錘運動的時間很短不到3秒，在手受到人為干擾的時候也能很快的恢復，在八秒內。用lcd我們的擺錘顯示效果很好，用紅外對管檢測，能真實顯示出擺動周期。我們還創(chuàng)新設計了結束函數(shù)算法，用鍵盤控制擺錘與支架分離使擺錘停擺，還能在由開始鍵從新擺動，效果很好！五、附件和參考文獻（1）系統(tǒng)使用說明對該系統(tǒng)的使用：首先把擺錘放在中線上，接通電源，擺錘處于待機狀態(tài)。把支架擺到非中線的地方，使得待機狀態(tài)下擺錘不收支架上的磁力影響，處于自然下垂。第二，按下離lm339近的按鍵s1，擺架慢速下擺到中線位置，以支架上的磁力帶動擺錘擺動，二者一起速度仿余弦的周期運動。他們在極短周期內可達穩(wěn)定運動。且擺動在20度范圍，變化不大。第三，按下靠近單片機復位鍵的按鍵s4，支架以一定速度突然擺動使得擺錘失去支架磁力作用，脫離支架作自由單擺運動。最后