悬挂运动控制系统

2019-07-19 13:24发布

摘要:以低功耗MSP430F449单片机系统平台为控制核心,由步进电机控制模块、红外传感和人机交互3个功能部分组成。由MSP430F449实现相应算法产生不同状态的PWM波,以控制电机的运动,从而实现对画笔的控制。系统可通过键盘任意设置坐标点参数;控制质量大于100g的物体在仰角不大于100°的80 cmx100 cm白板上做自行设定的运动,并在白板上画出运动轨迹;控制物体沿白板上按标出的任意黑 {MOD}间断曲线运动。画笔坐标点及各运动状态实时显示在LCD上,人机界面友好。
在现代的车辆运动、医疗设备和工业控制等系统中,悬挂运动系统的应用越来越多,在这些系统中悬挂运动部件通常是具体的执行机构,因而悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素,因而实际实现悬挂运动控制系统的精确控制具有极其重大的现实意义。本系统采用低功耗MSP430F449单片机系统平台设计了悬挂运动控制系统,采用高效的PWM电路,提高电源利用率;红外传感检测,提高纠错能力。由单片机产生脉冲信号驱动有精确步距的步进电动机,电机带动悬挂部件在平面上做特定的准确运动。
1 悬挂运动控制系统设计方案
1.1 电机选取
方案①:直流电机。直流电机的优点是输出功率大,带负载能力强;缺点是不能精确地控制直流电机的转动角度。
方案②:步进电机。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。给电机加一个脉冲信号,电机就转过一个步距角,具有较强的快速启停能力。步进角方面,选用的三相六拍式步进电机,步进转角最小可以达到1.5°,可以满足系统控制精度要求。并且可以通过对其转动步数的控制实现对位移的精确控制。
方案③:使用伺服电机,伺服电机是一种内带编码盘,可以通过驱动器精确控制转动角度(0.001°级别),而且过载能力强,常用于精密控制,但其驱动电压一般较高,体积较大,在本题目的实现上并不适用。
综上所述,选择方案②。采用步进电机。
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17条回答
1988020566
1楼-- · 2019-07-20 07:22
 精彩回答 2  元偷偷看……
1988020566
2楼-- · 2019-07-20 10:04
3.2.3 圆的生成算法

本系统画圆采用极坐标法实现。

极坐标法

当θ从0到2π做递增时,由此式便可求出圆周上均匀分布的360个点的(x,y)坐标。利用圆周坐标的对称性,此算法还可以简化。将圆周分为8个象限,只要将第1a象限中的圆周光栅点求出,其余7部分可以通过对称法则计算出来。图中给出了圆心在(0,0)点时的对称变化法则。

3.2.4 循迹算法

循迹中,将传感器阵列的八个方向分成正向反向两大类。其中,有效检测方向分以下3级:

第1级:原方向。

第2级:原方向紧邻的两个方向。

第3级:与原方向垂直的两个方向。

其他3个方向均为反方向。
1988020566
3楼-- · 2019-07-20 15:53
循迹运动方向选取原则:首先滤除前4步的所有反方向(由位或得到),防止按反方向倒退。滤除之后,剩下的有效方向中,如果仍有原方向,则按原方向继续执行;若没有,则依次寻找第2级,第3级。若最后均没有(遇到黑线的间断处),则回归到第1级,即继续往前行。综上,就是只有上一级循迹不成功才会依次寻找下一级。
4 系统硬件电路设计
4.1 步进电机驱动模块电路
三相步进电机使用的是UP-3BF04型电机驱动器,操作方便,控制信号可由MSP430直接引出,编程实现对它的控制,如图4所示。


1988020566
4楼-- · 2019-07-20 18:42
其特点是:1)PWM恒流驱动,三相六拍励磁方式,电源损耗极低且具有极高的开关效率;2)自动半流锁定功能,驱动电流可达4 A;3)所有控制信号与功率驱动部分光电隔离;4)散热外壳与驱动器内部完全绝缘。
由图可看出,只用控制两根线即可实现对驱动器的控制:
CP:步进脉冲输入端,上升沿有效;
U/D:方向控制器,U/D=1时电机正转,U/D=0或悬空时电机反转。
两相步进电机C6696-9012K驱动器控制方法与三相十分类似,不再赘述。
4.2 红外对管电路设计
我们选用红外对管ST188。ST188由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。检测距离可调整范围大,4~13mm可用。其响应时间受检测表面光洁度及平整度的影响,所以实验时要保持白板平面的洁净与黑 {MOD}轨道的平整。


1988020566
5楼-- · 2019-07-20 19:41
红外传感器电路如图5所示。当传感器处于黑线上方时,由于黑线红外光线的反射能力很弱,光敏三极管截止,输出端为高电平;反之,传感器离开黑线时,输出端为低电平。将此电平送至比较器LM311,与标准电平比较,若高于标准电平,则比较器输出高电平,反之,输出低电平。实验中,调节R4测量出最合适的标准电平为2.4 V。处理器通过判断比较器输出电平的高低来辨别受控物体的位置,从而通过控制步进电机来控制物体运动。
4.3 按键模块设计
系统软件设置了两种模式:INPUT和CONTROL模式。
1)CONTROL模式下,按健操作直接对电机进行命令,主要完成手动或自动控制左右电机正反旋转,画固定的直线、圆,循迹等功能。2)INPUT模式下,本系统软件中采取了输入命令+参数的模式,设置了3个命令,其功能列表如下:


1988020566
6楼-- · 2019-07-20 20:26
 精彩回答 2  元偷偷看……

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