二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 本科畢業(yè)論文

1、*大學(xué)本科生畢業(yè)論文*大學(xué)本科生畢業(yè)論文二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)院 （系）：*學(xué)院專 業(yè)：*學(xué) 號(hào)：*學(xué) 生 姓 名：*指 導(dǎo) 教 師：*年6月 摘 要 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的二維度運(yùn)動(dòng)經(jīng)常為運(yùn)動(dòng)軸的軸向和徑向旋轉(zhuǎn)自由度的結(jié)合。為實(shí)現(xiàn)在500mm141mm的平面上運(yùn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用一種基于常見的高速嵌入式單片機(jī)AVR單片機(jī)作為主系統(tǒng)，應(yīng)用滾珠絲杠作為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，開發(fā)設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的二維度運(yùn)動(dòng)。并系統(tǒng)地論述了應(yīng)用單片機(jī)開發(fā)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與直流伺服電機(jī)二維運(yùn)動(dòng)控制器的方法。 首先，論文介紹了本文的選題背景、主要研究?jī)?nèi)容和研究意義。 其次，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件

2、電路設(shè)計(jì)。以 ATmega16為核心，把控制系統(tǒng)分為控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電機(jī)運(yùn)行、電源模塊等，并對(duì)各模塊進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析?？刂颇K主要進(jìn)行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預(yù)定的任務(wù)；驅(qū)動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作以及定位；電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電源供給。設(shè)計(jì)出電路原理圖后根據(jù)原理圖進(jìn)行 PCB 的設(shè)計(jì)。 最后，進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求設(shè)計(jì)了整個(gè)二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作流程并向讀者列舉了部分程序代碼。關(guān)鍵詞：ATmega16單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)，控制系統(tǒng)ABSTRACT The two dimensions

3、movement of the Industrial robot manipulator is always the combination of the degrees of freedom of the axial of movement axis and the radial rotation. To comply the movement on the 500mm141mm plane, adopting a common high-speed embedded SCMthe AVR SCM as the main system, using the ball screw as the

4、 transmission mechanism of the linear movement, this design develops and devises a set of system to achieve the two dimensions movement of the Industrial robot manipulator. It also systematically expounds the method of using the SCM to exploit a two dimensions movement controller based on the steppe

5、r motor and DC servo motor. Firstly, this paper introduces its background, main contents and significance. Secondly, this issue adopts the modular design concept to design the hardware circuit of the two-dimension motion control system. With the ATmega16 as core, this issue divides the control syste

6、m into the controller module, the motor driving module, the motor running module, and the power supply module, and it makes detailed description and analysis of every module. The control module mainly deals with every kind of data and information, and coordinates each module of the system to achieve

7、 the scheduled tasks. The driving module mainly drive the step motor and the servo motor in order to achieve the location off the robot manipulator. The power supply module supplies power to the whole two-dimension motion control system. In addition this paper also devises the circuit schematic and

8、plans the PCB map according to the circuit schematic. Finally, this paper devises the software programs. Meanwhile it designs the whole workflow of the two-dimension motion control system according to the systems function and enumerates partial code.Key words:ATmega16 SCM, the step motor, the servo

9、motor, the control system目 錄第1章 緒論11.1 課題背景及意義11.2 工業(yè)機(jī)器人及機(jī)械手綜述21.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀31.4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容6第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)72.1 運(yùn)動(dòng)控制的基本概念72.2 課題技術(shù)指標(biāo)72.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)72.4 機(jī)械設(shè)計(jì)82.4.1 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)82.4.2 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)92.4.3 理論坐標(biāo)計(jì)算102.4.4 滾珠絲杠的介紹及選型102.5 電機(jī)的選型142.5.1 步進(jìn)電機(jī)的選型142.5.2 直流伺服電機(jī)的選型162.6 本章小結(jié)18第3章 硬件電路設(shè)計(jì)193.1 微處理器的最小系統(tǒng)電路193.1.1 ATm

10、ega16單片機(jī)的簡(jiǎn)介193.1.2 基于ATmega16的控制模塊203.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、對(duì)比與選擇213.2.1 定位精度的理論計(jì)算213.2.2 采用以L298N為主芯片的人工設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路223.2.3 采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MD540驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)263.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇293.3 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、對(duì)比與選擇293.3.1 基于BTS7960的驅(qū)動(dòng)電路293.3.3 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇343.4 矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)343.5 顯示模塊LCD顯示屏1602363.5.1 LCD1602簡(jiǎn)介363.5.2 LCD1602的硬件電路393.6 P

11、CB的生成393.7本章小結(jié)39第4章 軟件設(shè)計(jì)414.1 初始化模塊設(shè)計(jì)424.2 系統(tǒng)整體流程圖434.3 電機(jī)控制模塊444.3.2 步進(jìn)電機(jī)控制454.2.3 直流伺服電機(jī)控制464.4 鍵盤輸入模塊484.5 LCD顯示模塊494.6程序編譯494.6.1 WinAVR 介紹504.6.2 程序的編譯514.7 本章小結(jié)51第5章 系統(tǒng)調(diào)試525.1 PWM技術(shù)簡(jiǎn)介525.2 系統(tǒng)調(diào)試535.3 本章小結(jié)54結(jié) 論55參考文獻(xiàn)57致 謝59附 錄11、PCB板12、電路圖2*大學(xué)本科生畢業(yè)論文第1章 緒論1.1 課題背景及意義機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多

12、功能于一體的綜合系統(tǒng)，它綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，對(duì)人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的影響越來越大。宋健院士在國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)第 14 屆大會(huì)報(bào)告中指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是 20 世紀(jì)自動(dòng)控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”1。工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人,是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)2。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)

13、編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。工業(yè)機(jī)器人誕生于 20 世紀(jì) 60 年代,在 20 世紀(jì) 90 年代得到迅速發(fā)展，是最先產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù).它是綜合了計(jì)算機(jī),控制論,機(jī)構(gòu)學(xué),信息和傳感技術(shù),人工智能, 仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù),是當(dāng)代研究十分活躍,應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域.它的出現(xiàn)是為了適應(yīng)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn),解決單調(diào),重復(fù)的體力勞動(dòng)和提高生產(chǎn)質(zhì)量而代替人工作業(yè).在我國(guó),工業(yè)機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)接近 20 多年了,已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn),引進(jìn)到

14、自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)了我國(guó)制造業(yè),勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展.隨著我國(guó)改革開放的逐漸深入,國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對(duì)越來越大的競(jìng)爭(zhēng)與沖擊, 因此,掌握國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的實(shí)際情況,把握我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)與研究進(jìn)展,顯得十分重要。工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科機(jī)械手工程3。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。同時(shí)工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。其特點(diǎn)是可以通過編程來完成各種預(yù)期的

15、作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。1.2工業(yè)機(jī)器人及機(jī)械手綜述 機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。它并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工

16、業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備4。從廣義上講，在現(xiàn)代化的許多工業(yè)生產(chǎn)、生活、災(zāi)難救援、甚至戰(zhàn)爭(zhēng)中，工業(yè)機(jī)器人都有極其重要的價(jià)值和極大的應(yīng)用領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、 惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械 加工和簡(jiǎn)單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對(duì)人體有害物料的搬運(yùn)或工藝操作。機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用于按固定程序抓取、搬運(yùn)物體或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可以代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化和機(jī)械化，能在有害環(huán)境下操作以保證人

17、的安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。在工業(yè)部門中應(yīng)用的機(jī)械手稱為工業(yè)機(jī)械手。機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)5：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的。機(jī)械

18、手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用6。1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 當(dāng)今的技術(shù)發(fā)展日新月異，高新技術(shù)的進(jìn)步也促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，總的來說，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將進(jìn)一步向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向縱深發(fā)展。隨著勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，工廠生產(chǎn)自動(dòng)化對(duì)運(yùn)動(dòng)控制提出了更

19、高的要求，比如更快的響應(yīng)速度、更高的控制精度、更高的可靠性等。近幾年來，運(yùn)動(dòng)控制己經(jīng)逐步形成了一個(gè)新的國(guó)際研究熱點(diǎn)。研究具有開放式結(jié)構(gòu)的高性能運(yùn)動(dòng)控制器是當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，越來越得到世界各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。 高速、高精度始終是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)追求的目標(biāo)。充分利用 DSP 的計(jì)算能力，進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)多軸插補(bǔ)、誤差補(bǔ)償和更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，使得運(yùn)動(dòng)控制精度更高、速度更快、運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)；充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、FPGA 技術(shù)等，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加合理和開放，通過網(wǎng)絡(luò)連接方式減少系統(tǒng)的連線，提高系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品今后的發(fā)展基本上沿著上述兩個(gè)方向走，但是專業(yè)

20、化、個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)控制器將是一個(gè)新的發(fā)展方向。 從 90 年開始，DSP 技術(shù)和 FPGA 芯片技術(shù)在美國(guó)得到高速發(fā)展，出現(xiàn)了一批高性能低價(jià)格的 DSP，這些 DSP 的重要特性是它們的兼容性好而且浮點(diǎn)運(yùn)算速度快，使多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠濃縮在一塊 PC ISA/PCI 控制卡上，而且每個(gè)伺服軸的更新速率可以達(dá)到 20ms，而 FPGA 芯片技術(shù)則使通過軟件來更新硬件成為可能，如果將 DSP 和 FPGA 與 PC 相結(jié)合，則可充分利用現(xiàn)有的操作環(huán)境和資源，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本，增加系統(tǒng)的通用性。盡管如此由于近年來高性能的單片機(jī)不斷推出，再加上用單片機(jī)開發(fā)產(chǎn)品的技術(shù)非常成熟，開發(fā)工具豐富且功能強(qiáng)大

21、，開發(fā)成本相對(duì)低廉，這使傳統(tǒng)的以單片機(jī)作為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仍然具有很強(qiáng)的生命力7。 這里向讀者簡(jiǎn)介兩款現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、緊急救援工作中，代替人類進(jìn)行繁重或危險(xiǎn)生產(chǎn)活動(dòng)的機(jī)器人。2008年底，安川公司推出世界第一臺(tái)7軸弧焊專用機(jī)器人 MOTOMAN-VA1400。VA1400 在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人第一俯仰臂上增加了1個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，具有冗余的自由度，使機(jī)器人本體的機(jī)動(dòng)性和可達(dá)性提升到了前所未有的高度。其主要技術(shù)參數(shù)為， 最大動(dòng)作范圍： S關(guān)節(jié)(旋轉(zhuǎn))170； L關(guān)節(jié)(下手臂) 148、-70； U關(guān)節(jié)(上臂) 150、-175； R關(guān)節(jié)(手腕旋轉(zhuǎn)) 150； B關(guān)節(jié)(手腕) 180、-45； T關(guān)節(jié)(手腕

22、回轉(zhuǎn))200； 最大動(dòng)作速度： S關(guān)節(jié)220/s； L關(guān)節(jié)200/s； U關(guān)節(jié)220/s； R關(guān)節(jié)410/s； B關(guān)節(jié)410/s； T關(guān)節(jié)610/s。圖1.1 MOTOMAN-VA1400 美國(guó) iRobot公司研制了 PackBot 系列反狙擊機(jī)器人。 圖1.2 PackBot 反狙擊機(jī)器人Packbot 反狙擊機(jī)器人是根據(jù)部分反恐專家提議, 在美國(guó)軍方授意下, 由 iROBOT 公司為駐伊美軍量身打造的。從外形來看, 該機(jī)器人體形小巧, 長(zhǎng) 0.87 米, 寬 0.51米, 高 0.18 米, 重僅 18 千克, 在行軍中士兵可以把它輕松地背在背上。美國(guó)軍方已準(zhǔn)備將其納入美軍新型單兵標(biāo)準(zhǔn)裝

23、備“ 模塊化輕型攜行裝備(MOLLE)” 中。1.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容 論文主要對(duì)二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要研究?jī)?nèi)容為： （1）根據(jù)控制要求選擇合適的電機(jī)，了解其運(yùn)動(dòng)特性； （2）通過數(shù)據(jù)手冊(cè)深入學(xué)習(xí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式和控制方式，并為為電機(jī)設(shè)計(jì)、選用合適的驅(qū)動(dòng)器； （3）選擇主控模塊，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)； （4）實(shí)現(xiàn)一個(gè)兩軸機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制。 本文各章節(jié)安排如下： 第 1 章“緒論”，概述了課題研究背景及意義，闡明了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，并介紹了論文的主要內(nèi)容。 第 2 章“系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)”，本章先簡(jiǎn)介運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，然后重點(diǎn)介紹二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與選型，電機(jī)的選型及其負(fù)載

24、的計(jì)算、匹配等。 第 3 章“硬件電路設(shè)計(jì)”，本章給出以AVR單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)硬件電路，主要介紹二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹各個(gè)電路模塊，如鍵盤模塊，顯示模塊等。重點(diǎn)介紹了步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電路設(shè)計(jì)與各驅(qū)動(dòng)電路的對(duì)比和選擇，為達(dá)到目標(biāo)控制精度打下基礎(chǔ)，并給出系統(tǒng)電路圖和PCB圖。 第 4 章“軟件設(shè)計(jì)”，在硬件的基礎(chǔ)上，主要介紹二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體思路與軟件實(shí)現(xiàn)的流程圖。 第 5 章“系統(tǒng)調(diào)試”，介紹了PWM的原理和系統(tǒng)調(diào)試相關(guān)問題，并給出了本課題的研究總結(jié)，指出有待改進(jìn)之處，并提出后續(xù)工作的研究展望。 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 運(yùn)動(dòng)控制的基本概念

25、 “運(yùn)動(dòng)控制”是近十年來國(guó)際上流行的一種新的技術(shù)，通常是指在復(fù)雜的條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)7。按照國(guó)際運(yùn)動(dòng)控制工程師協(xié)會(huì)的定義：“運(yùn)動(dòng)控制是指應(yīng)用一個(gè)可控制的力的作用實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)有效運(yùn)動(dòng)的技術(shù)，這個(gè)機(jī)電系統(tǒng)可以是以電氣、液壓、氣動(dòng)或其他形式驅(qū)動(dòng)的。”2.2課題技術(shù)指標(biāo) 本二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)： 1、X向定位精度：0.1mm；2、Y向定位精度：0.2mm（即轉(zhuǎn)角定位精度約0.1）；3、X向運(yùn)動(dòng)范圍：500mm；4、Y向運(yùn)動(dòng)范圍：141mm（即轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為45）。2.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本課題所設(shè)計(jì)的二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括主控制模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、

26、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、直流伺服電機(jī)控制模塊和機(jī)械執(zhí)行模塊。整體系統(tǒng)的功能為：操作者使用鍵盤向系統(tǒng)輸入符合輸入規(guī)則的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，按下開始工作鍵后，系統(tǒng)開始工作，直流伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)械臂先沿絲杠軸向運(yùn)動(dòng)到X向目標(biāo)位置，然后步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)到轉(zhuǎn)角目標(biāo)位置，此時(shí)機(jī)械臂的臂尖在Y向運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的距離，至此，一次運(yùn)動(dòng)結(jié)束。若在運(yùn)動(dòng)過程中需要停止本次運(yùn)動(dòng)，則按下系統(tǒng)復(fù)位按鈕。主控制模塊是以ATmega16單片機(jī)為主的最小系統(tǒng)，其分別控制顯示模塊輸出顯示運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，READY、ERROR信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)整體框圖如下： 圖2.1 系統(tǒng)框圖2.4機(jī)械設(shè)計(jì)2.4.1 總體機(jī)

27、械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用常見的高速嵌入式單片機(jī) AVR 系列單片機(jī)作為主系統(tǒng)，應(yīng)用滾珠絲杠作為直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示： 圖2.2 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，絲杠將直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂在絲杠上的平動(dòng)，從而使得直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂在絲杠上做軸向的運(yùn)動(dòng)。2.4.2 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) 對(duì)于機(jī)械手臂，臂長(zhǎng)200mm，由于手臂重量不是很大，負(fù)載重量幾乎可以忽略不計(jì)，所以設(shè)計(jì)的機(jī)械臂并前端負(fù)載質(zhì)量按0.1kg。因此，機(jī)械臂如下作設(shè)計(jì)：（1）由于所需電機(jī)提供的力矩很小，故小型步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)在機(jī)械臂的關(guān)節(jié)處，帶動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍在045；（2）不設(shè)

28、置配重。示意圖如下： 圖2.3 系統(tǒng)機(jī)械臂左視圖2.4.3 理論坐標(biāo)計(jì)算設(shè)定前臂長(zhǎng)度200mm，由于角在045度之間變化，故Y向范圍為0141mm；軸向運(yùn)動(dòng)范圍就是機(jī)械臂在絲杠上的運(yùn)動(dòng)范圍，即0500mm。請(qǐng)見下圖圖示： 圖2.4 理論坐標(biāo)計(jì)算圖若外部輸入設(shè)備輸入軸向坐標(biāo)a、轉(zhuǎn)角，表示機(jī)械臂在絲杠上（這里表示為X軸）應(yīng)橫向運(yùn)動(dòng)至距離起點(diǎn)O處a個(gè)單位的位置；機(jī)械臂前臂應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為，則機(jī)械臂在Y向的位置為距離起點(diǎn)O處個(gè)單位的位置，即機(jī)械臂臂尖的坐標(biāo)為（a，）。2.4.4 滾珠絲杠的介紹及選型1、滾珠絲杠的原理 整個(gè)二維度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用滾珠絲杠作為直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖 2.4 所示，滾珠絲杠一般是

29、由絲杠 1、螺母 2、滾珠 3 及滾珠循環(huán)返回裝置 4 等四個(gè)部分的組成。 圖 2.5 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)示意圖 滾珠絲杠副的工作原理如下：當(dāng)螺母 2（或絲杠 1）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在絲杠與螺母間布置的滾珠 3 依次沿螺紋滾道滾動(dòng)，同時(shí)滾珠 3 促使絲杠 1（或螺母 2）做直線運(yùn)動(dòng)。為了防止?jié)L珠沿螺紋滾道滾出，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置（反向器）4，構(gòu)成一個(gè)滾珠循環(huán)通道。借助于這個(gè)返回裝置，可以使?jié)L珠沿滾道面運(yùn)動(dòng)后，經(jīng)通道自動(dòng)地返回到其工作的入口處，從而使?jié)L珠能在螺紋滾道上繼續(xù)不斷地參與工作9。2、滾珠絲杠的特點(diǎn) （1）傳動(dòng)效率高 對(duì)于滑動(dòng)絲杠在定期潤(rùn)滑的條件下，絲杠與螺母間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)在0.060.1

30、5 之間，摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低。而滾珠絲杠副的摩擦系數(shù)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，一般為 0.00250.0035。顯然，其傳動(dòng)摩擦阻力大大減小，傳動(dòng)效率得到很大提高。這樣，滾珠絲杠副相對(duì)于滑動(dòng)絲杠副來說，就能以較小的動(dòng)力推動(dòng)較大的載荷，而功率消耗只有滑動(dòng)絲杠副的 1/41/2，不僅能大大減輕操縱者的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且對(duì)機(jī)械小型化、啟動(dòng)后的顫動(dòng)和滯后時(shí)間的減少，以及節(jié)省能源等方面，都具有重要意義。 （2）同步性能好 由于滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦特性，摩擦阻力幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，靜摩擦力矩極小，啟動(dòng)摩擦力矩與運(yùn)動(dòng)摩擦力矩接近相等，因此，運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)無(wú)顫動(dòng)，低速下運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)爬行。這不但縮短了啟動(dòng)的時(shí)間，消除了滑動(dòng)絲杠副中存在

31、的滑移現(xiàn)象，而且大大提高了傳動(dòng)的靈敏度和準(zhǔn)確度，具有持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的特點(diǎn)。 （3）傳動(dòng)的可逆性 滾珠絲杠副不僅正傳動(dòng)效率（簡(jiǎn)稱正效率）高，而且逆?zhèn)鲃?dòng)效率（簡(jiǎn)稱逆效率）也幾乎同樣高達(dá) 95%。它既可把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)稱正運(yùn)動(dòng)），又可以把直線運(yùn)動(dòng)變成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)稱逆運(yùn)動(dòng)）。因此，與滑動(dòng)絲杠副相比，突出的不同點(diǎn)是傳動(dòng)具有可逆性。 滾珠絲杠副的逆效率高，一方面固然帶來了逆?zhèn)鲃?dòng)的好處，但另一方面卻不如滑動(dòng)絲杠副那樣具有自鎖能力。在某些機(jī)構(gòu)中，特別是垂直升降機(jī)構(gòu)中使用滾珠絲杠副時(shí)，必須設(shè)置防逆轉(zhuǎn)裝置10。 （4）傳動(dòng)精度高 滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度主要是指其進(jìn)給精度和軸向定位精度。經(jīng)過淬硬和精磨螺紋滾道

32、后的滾珠絲杠副，本身就具有較高的進(jìn)給精度。高精度的滾珠螺旋副導(dǎo)程累積誤差可達(dá)5m/300mm 以上。當(dāng)采用預(yù)緊螺母進(jìn)行預(yù)緊時(shí)，可完全消除滾珠絲杠副的軸向間隙。如果預(yù)緊力適當(dāng)（即為最佳預(yù)緊力時(shí)），在不增加驅(qū)動(dòng)力矩和基本不降低傳動(dòng)效率的前提下，可提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和定位精度；在帶有反饋系統(tǒng)的滾珠絲杠副中，通過機(jī)電補(bǔ)償伺服系統(tǒng)，能獲得較高的重復(fù)定位精度。由于滾珠絲杠副的摩擦小，工作時(shí)本身幾乎沒有溫度變化，因此不但進(jìn)給速度穩(wěn)定，而且尺寸也非常穩(wěn)定，這就是滾珠絲杠副具有很高定位精度和重復(fù)定位精度的重要原因11。3、滾珠絲杠的選型 步進(jìn)電機(jī)是安裝在機(jī)械臂上的，型號(hào)為42BYG012 步進(jìn)電機(jī)的質(zhì)量約為0.

33、24kg，而機(jī)械臂的質(zhì)量為0.1kg，加之其他一些質(zhì)量較輕的機(jī)械零件，如螺絲等，絲杠上的負(fù)載質(zhì)量范圍為0.34kg0.4kg（不包括驅(qū)動(dòng)器）。 在絲杠的選擇上，本設(shè)計(jì)選擇臺(tái)灣HIWIN（上銀）公司生產(chǎn)的滾珠絲杠。HIWIN 滾珠絲杠在使用上具有很多的有點(diǎn)，舉凡高效率、可逆性、零背隙、高剛性，導(dǎo)程精度高及其它多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)艾克姆螺桿（ACME）相比較，如下圖所示，滾珠絲杠在螺桿與螺帽間，加入鋼珠。將傳統(tǒng)螺桿的滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)以鋼珠滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)取代，以大大降低摩擦損耗。有助于維持高效率和高精度。 圖2.6 滾珠螺桿與傳統(tǒng)艾克姆螺桿比較下面介紹下HIWIN滾珠絲杠的幾個(gè)主要特性和優(yōu)點(diǎn)。 （1）高效率及可逆

34、性 由于滾珠螺桿的螺桿軸及螺冒均是點(diǎn)接觸之滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以其效率可高達(dá)90%以上。 （2）零背隙及高剛性 （3）高導(dǎo)程精度 （4）靜音 （5）短交期 滾珠絲杠型號(hào)的確定： 由于上述一些滾珠絲杠特點(diǎn)的介紹和臺(tái)灣HIWIN公司可定制特定規(guī)格的滾珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)滾珠絲杠選用上銀公司的型號(hào)為1R12-5B2-PSDWE1-500-650-0.027-H，所表示的滾珠絲杠的技術(shù)指標(biāo)為：牙長(zhǎng)：500mm，總長(zhǎng)：650mm，任意300mm內(nèi)的導(dǎo)程誤差：0.027mm，導(dǎo)程：5mm，牙口數(shù)：?jiǎn)窝揽?，公稱外徑：12mm，旋轉(zhuǎn)方向：右旋，珠卷數(shù)：B2，預(yù)壓型式：壓縮型，螺帽外型：方型，螺帽型式：雙螺帽，循環(huán)種

35、類：回流管低于螺帽外徑，選用配備：自潤(rùn)式，中空件。2.5 電機(jī)的選型 本設(shè)計(jì)中電機(jī)的選型包括步進(jìn)電機(jī)的選型和直流伺服電機(jī)的選型。2.5.1 步進(jìn)電機(jī)的選型1、扭矩匹配 由前面所述系統(tǒng)機(jī)械臂左視圖，機(jī)械臂質(zhì)量為m=0.1kg，長(zhǎng)度L=200mm，轉(zhuǎn)角范圍在045之間，取g=10N/kg，可計(jì)算得所需步進(jìn)電機(jī)提供的最大扭矩為；這個(gè)轉(zhuǎn)矩T也是負(fù)載折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)矩12。步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩需要滿足的條件為：在這里取分母為0.5，則=0.142在這里對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率要求的比較寬松，故可以主要匹配負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩。同時(shí)，由于步進(jìn)電機(jī)是安裝在機(jī)械臂的關(guān)節(jié)處，因此該電機(jī)的外形和重量都不應(yīng)過大，

36、以外形小、質(zhì)量小為首選，因此本設(shè)計(jì)選用外形較小、質(zhì)量較輕的BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)，其型號(hào)為42BYG012，相數(shù)為兩相，額定電壓12V，靜態(tài)電流0.52A，步距角1.8，保持轉(zhuǎn)矩0.172，空載啟動(dòng)頻率600。由此可看出該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩滿足設(shè)計(jì)要求。2、累計(jì)誤差 累計(jì)誤差的計(jì)算涉及到為步進(jìn)電機(jī)安裝減速器的減速比13，由于步進(jìn)電機(jī)有兩種驅(qū)動(dòng)方式，一種驅(qū)動(dòng)方式是人工設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，需配備減速器；另一種驅(qū)動(dòng)方式是用成品步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，利用其對(duì)步距角的細(xì)分，完成相應(yīng)精度要求，在此不作詳細(xì)討論，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)部分會(huì)有細(xì)致討論與對(duì)比選擇。3、控制頻率 所選步進(jìn)電機(jī)的控制頻率，將在后面的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)部分

37、討論，這里不做贅述。4、外形與質(zhì)量42BYG012步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸為：總長(zhǎng)50mm、外徑42mm、軸徑4.7mm，質(zhì)量為0.24kg。由于步進(jìn)電機(jī)是安裝在機(jī)械臂上，必須要求其質(zhì)量和外形盡量小，此電機(jī)相比于同等類型的其他型號(hào)的電機(jī)，質(zhì)量小，外形小。滿足本設(shè)計(jì)中選用小型步進(jìn)電機(jī)的要求。5、啟動(dòng)矩頻特性步進(jìn)電機(jī)帶載很小，換算至其軸上的慣量對(duì)其啟動(dòng)影響不大，因此電機(jī)軸上的慣量基本滿足啟動(dòng)矩頻特性的要求。因此，選擇型號(hào)為42GYB012的步進(jìn)電機(jī)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。2.5.2 直流伺服電機(jī)的選型 在選型中，為首先滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，對(duì)電機(jī)的選擇著重考慮扭矩和轉(zhuǎn)速的因素；其次，是考慮電機(jī)外形大小是否與

38、本設(shè)計(jì)相配合、軸與滾珠絲杠的直徑是否相合以利于連接與帶動(dòng)負(fù)載14。對(duì)直流伺服電機(jī)的一些額定值（包括額定功率、額定電壓、額定電流等）則不做深入考慮。1、 扭矩匹配在本設(shè)計(jì)中，直流伺服電機(jī)帶動(dòng)的機(jī)械臂在絲杠上做直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)速度要求不高，故采用勻速運(yùn)動(dòng)即可。對(duì)于扭矩的計(jì)算采用如下公式：式中，：驅(qū)動(dòng)扭矩；：軸向負(fù)載（，：絲杠的軸向切削力，：導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù)，：移動(dòng)物體重量(工作臺(tái)+工件)kg，g:9.8 ）；：絲杠導(dǎo)程mm；：進(jìn)給絲杠的正效率。機(jī)械臂質(zhì)量為0.1kg，步進(jìn)電機(jī)質(zhì)量為0.24kg，驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量在0.40.6kg之間，為便于計(jì)算，不妨取。絲杠的軸向切削力，綜合摩擦系數(shù)，得；由 且按經(jīng)驗(yàn)，

39、取 得 即所需的直流伺服電機(jī)所能提供的扭矩最小為0.332。因此，根據(jù)系統(tǒng)需要的扭矩，本設(shè)計(jì)選取德國(guó)Fanlhaber2342L012編碼器空心杯減速電機(jī)2342L012-12V120轉(zhuǎn)，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：（）；連續(xù)扭矩：；工作電壓：；空載轉(zhuǎn)速：;減速后速：;直徑：；出軸直徑：；電機(jī)長(zhǎng)度：；出軸長(zhǎng)度：；總共長(zhǎng)度：；輸出功率：；空載電流：；堵轉(zhuǎn)電流：；減速箱型號(hào)：日本定制（全金屬精密行星減速箱）；減速比：66:1；編碼器：光電式；輸出路數(shù)：AB雙路輸出；每圈脈沖：。由此，電機(jī)的能提供的最大轉(zhuǎn)矩滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)需要注意的是，該電機(jī)若采用PWM方式驅(qū)動(dòng)，可接收的PWM頻率范圍是

40、080KHz。2、外形與軸的匹配由前面陳述的滾珠絲杠與該直流伺服電機(jī)的外形、質(zhì)量，軸長(zhǎng)度、直徑，滿足設(shè)計(jì)要求與指標(biāo)。直流伺服電機(jī)的軸與滾珠絲杠的軸采用銷連接即可滿足系統(tǒng)對(duì)連接剛度的要求。3、絲杠進(jìn)給速度計(jì)算滾珠絲杠的導(dǎo)程是，設(shè)定電機(jī)勻速轉(zhuǎn)速為，則機(jī)械臂在滾珠絲杠上的運(yùn)動(dòng)速度約為，從起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至絲杠終點(diǎn)的時(shí)間約為100s，在合理范圍內(nèi)。因此，選擇型號(hào)為德國(guó)Fanlhaber2342L012編碼器空心杯減速電機(jī)2342L012-12V120轉(zhuǎn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。2.6 本章小結(jié)本節(jié)主要介紹了一些運(yùn)動(dòng)控制的基本概念，課題技術(shù)指標(biāo)，闡述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。同時(shí)設(shè)計(jì)了機(jī)械臂、介紹了滾珠絲杠的工作原理和

41、特點(diǎn)，并根據(jù)系統(tǒng)的性能要求和指標(biāo)選用了臺(tái)灣HIWIN公司的一款滾珠絲杠。在最后，按系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)和要求選取了合適的步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)。第3章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 微處理器的最小系統(tǒng)電路 控制系統(tǒng)的主芯片采用ATMEL公司的ATmega16芯片，該芯片是AVR系列的一款中檔功能的芯片。性價(jià)比很高。3.1.1 ATmega16單片機(jī)的簡(jiǎn)介1、ATmega16單片機(jī)的產(chǎn)品特性 （1）高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器15 （2）RISC 精簡(jiǎn)指令集 131 條指令 大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期 32 個(gè)8 位通用工作寄存器 全靜態(tài)工作 工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS 只

42、需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器 （3）哈佛結(jié)構(gòu)，具備 1MIPS / MHz 的高速運(yùn)行處理能力 （4）非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （5）JTAG 接口( 與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容 )2、ATmega16單片機(jī)外設(shè)特點(diǎn) （1）兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器16 （2）一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 （3）具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC （4）四通道PWM （5）8路 10 位ADC 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)；片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC 振蕩器；片內(nèi)/片外中斷源；6種睡眠模式（空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standb

43、y 模、式以及擴(kuò)展的Standby 模式）3、ATmega16單片機(jī)的主要技術(shù)參數(shù) （1）工作電壓 ATmega16L：2.7 - 5.5V ATmega16：4.5 - 5.5V （2）速度等級(jí) 0 - 8 MHz ATmega16L 0 - 16 MHz ATmega16 （3）I/O和封裝 32 個(gè)可編程的I/O口 40 引腳PDIP封裝 , 44 引腳 TQFP 封裝,與 44 引腳MLF封裝。3.1.2 基于ATmega16的控制模塊 下面，是本設(shè)計(jì)的控制電路部分基于ATmega16的控制模塊。單片機(jī)的控制模塊電路由單片機(jī)ATmega16與時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成。電路如下圖所示：

44、圖3.1 單片機(jī)的控制模塊電路 在此控制系統(tǒng)中PB0PB7與顯示模塊相連，負(fù)責(zé)將從輸入模塊輸入的信號(hào)顯示和單片機(jī)發(fā)出的提示指令顯示出來；IN1、IN2與直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊相連，負(fù)責(zé)控制直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；PLU-、DIR-、EN-與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相連，負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；K1K8與鍵盤矩陣相連，接收輸入信號(hào)。3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、對(duì)比與選擇3.2.1 定位精度的理論計(jì)算 由于步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)，使得臂尖在平面上Y軸方向完成平動(dòng)，又由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)中，Y軸方向的定位精度為0.2mm，理論上計(jì)算臂尖在Y軸方向上平動(dòng)0.2mm時(shí)，機(jī)械臂所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，由角即可確定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

45、的精度，即解決上述提及的累積誤差方面的問題。 圖3.2 所需最小轉(zhuǎn)角計(jì)算注意：圖中邊b=c=200mm，這里為了使讀者看清楚，才將角放大。由余弦定理知，可得，。步進(jìn)電機(jī)工作在兩相單二拍，每從控制器輸出一個(gè)控制脈沖16，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為。如果采用人工設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，需要為步進(jìn)電機(jī)增加一個(gè)減速器，并且減速器的減速比約為30:1，采用小型的行星減速箱即可；如果采用成品步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 M D540為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則需要該模塊細(xì)分?jǐn)?shù)為30左右。下面就兩種不同的驅(qū)動(dòng)方式作出詳細(xì)對(duì)比與芯片性能分析。3.2.2 采用以L298N為主芯片的人工設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路1、L298N的基本工作原理與

46、特點(diǎn) L298是ST公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路17?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)?？梢灾苯油ㄟ^電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達(dá)25 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和

47、15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)18。 L298N這款芯片成本低、抗干擾能力強(qiáng)，集成度好，已經(jīng)被應(yīng)用于多種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中， 故此方案中，選擇L298N作為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的主芯片。 下圖所示是一款以LM298為主芯片的驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物。圖3.3 LM298實(shí)物圖其對(duì)應(yīng)的功能邏輯圖如下： 圖3.4 L298N功能邏輯圖2、芯片主要引腳用法說明+5V()：芯片電壓5V；+12V()：電機(jī)電壓，最大可接50V，在此設(shè)計(jì)中，接12V動(dòng)力電源GND、ISENA、ISENB：共地接法；OUT1OUT4：輸出端，接電機(jī)；ENA、ENB：高電平有效，ENA、ENB分別為 IN1

48、和IN2、IN3和IN4的使能端；IN1 IN4：輸入端，輸入端電平和輸出端電平是對(duì)應(yīng)的。 表31 L298N功能表ENAIN1IN2運(yùn)行狀態(tài)0停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100停止 IN3，IN4的邏輯圖與上表相同。由上表可知ENA為低電平時(shí)，輸入電平對(duì)電機(jī)控制不起作用，當(dāng)ENA為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎車。3、本課題設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示： 圖3.5 L298N驅(qū)動(dòng)電路圖注：L298N右側(cè)的8個(gè)二極管的作用是，在電機(jī)換向和停止前，電機(jī)還在轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞中產(chǎn)生電流，二極管用來續(xù)流的。此時(shí)，控制電機(jī)的脈沖由程序產(chǎn)生，步進(jìn)電機(jī)的控制頻率（

49、步/s）所要求的步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，；步距角，（）設(shè)定步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂從0運(yùn)動(dòng)到45位置，所需的時(shí)間為5秒，則步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速。因此，步進(jìn)電機(jī)的控制頻率。 又低于步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率，且在單片機(jī)所能提供的脈沖頻率范圍內(nèi)（016MHz）。因此，此驅(qū)動(dòng)電路在功能上滿足本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)需求。脈沖通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。具體軟件分析請(qǐng)見第四章。4、驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)缺點(diǎn)分析 （1）此驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是： 電路搭建比較簡(jiǎn)單易行，設(shè)計(jì)思路清晰且成本較低。 （2）此驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)是： 引入了減速機(jī)3.2.3 采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MD540驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1、MD540概述 MD540是以一款高性能多細(xì)分型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。采用專用A

50、SIC控制器，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可靠性高，低噪聲，高精度；提供1.2A4.0A范圍8檔電流輸出，多達(dá)14種細(xì)分；適用于中、小電流應(yīng)用的57及以下步進(jìn)電機(jī)。其實(shí)物圖如下： 圖3.6 MD540步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功能特點(diǎn) 供電電壓DC12V42V；峰值電流1.2A4.0A，8檔可調(diào)，分辨率0.4A；多達(dá)14種細(xì)分，2，4，8，16，32，64，128，256，5，10，25，50，125，250；高速光耦輸入隔離；可設(shè)置的自動(dòng)半流功能；過壓，欠壓，過流保護(hù)。小巧體積（）便于安裝。 表32 信號(hào)接口信號(hào)描述PUL+/CW+單脈沖輸入模式時(shí)，步進(jìn)脈沖輸入信號(hào)，上升沿有效。雙脈沖輸入模式時(shí)，正轉(zhuǎn)脈沖輸入信號(hào)，

51、上升沿有效。PUL-/CW-DIR+/CCW+單脈沖輸入模式時(shí)，方向控制信號(hào)。雙脈沖輸入模式時(shí)，反轉(zhuǎn)脈沖輸入信號(hào)，上升沿有效。DIR-/CCW-ENABLE+驅(qū)動(dòng)器使能輸入信號(hào)。ENABLE+為高，ENABLE-為低：禁止驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)處于自由狀態(tài)。如果不使用這個(gè)功能，這兩個(gè)輸入端懸空即可。ENABLE- 表33 電流設(shè)置表 (峰值Peak=均值RMS x 1.4) 峰值電流SW1SW2SW31.2A0.86AONONON1.6A1.14AOFFONON2.0A1.43AONOFFON2.4A1.71AOFFOFFON2.8A2.00AONONOFF3.2A2.29AOFFONOFF3.6A2.

52、57AONOFFOFF4.0A2.86AOFFOFFOFF SW4：用來設(shè)置半流。off=半流; on=全流。本設(shè)計(jì)中使用半流模式。SW9：用來設(shè)置輸入信號(hào)脈沖模式，off為單脈沖輸入模式，on為雙脈沖輸入模式。本設(shè)計(jì)中使用單脈沖模式。 表34 細(xì)分設(shè)置表 microstepSteps/revSW5SW6SW7SW82400ONONONON4800OFFONONON81600ONOFFONON163200OFFOFFONON326400ONONOFFON6412800OFF ONOFFON12825600OFFOFFOFFON25651200ONOFFOFFON51000ONONONOFF102000OFFONONOFF255000ONOFFONOFF5010000OFFOFFONOFF12525000ONONOFFOFF25050000OFFONOFFOFF 本設(shè)計(jì)采用