悬挂运动控制系统的设计

参考范文
开题报告
（200 届）
题目悬挂运动控制系统的设计
学院物理电气信息学院
专业电气工程与自动化
年级0
学生学号1200
学生姓名
指导教师
2010年 3 月1 日
一、课题来源
物理电气信息学院毕业设计指南
二、选题的意义以及国内外发展状况
随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的悬挂运动自动控制系统就是其中之一。

在现代的工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中，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，而在实际中实现悬挂运动控制系统的精确控制是非常困难的。

靠改变悬挂被控对象的绳索长短来控制被控对象运动轨迹的悬挂运动控制系统，在生产控制等领域有很广的应用范围，但受技术上的制约，使用也有一定限制。

采
用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统控制器。

FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。

FPGA 采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系统。

本设计中，FPGA的高速处理能力得不到充分发挥。

所以在本次设计中，主要是以单片机AT89C52作为控制核心，并与LED液晶显示芯片、步进电机、单光束反射取样式光电
传感器，4*4键盘和鼠标相结合的系统。

充分发挥了单片机的性能。

以单片机AT89C52芯片设计悬挂运动控制系统的控制器，通过输入模块传送控制参数，采用C语言对单片机进行编程实现各项功能，驱动步进电机，对悬挂运动物体进行精确的控制。

其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用价值。

运动轨迹控制系统广泛应用于航天、军事、机器人控制、数控机床及计算机辅助设计等，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的不断发展和迅速应用，在各领域特别在制造业，正向高速、高精度、多功能、智能化、开放型以及高可靠性等方面迅速发展。

近二十年来，科学技术突飞猛进，随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展，使得电机的应用不再局限于工业应用，而且在商业及家用设备等各个领域获得更加广泛的应用。

而随着新材料如稀土永磁材料Nd-Fe-B，磁性复合材料的出现，更给电机设计插上翅膀，各种新型，高效特种电机层出不穷。

这些都极大地丰富了电机理论，拓
宽了电机的应用领域。

同时给电机设计和制造工艺提出了更高的要求。

当今世界，工业生产越来越要求自动化、省人力、效率高等特点，工厂里的很多自动化控制系统都用到了电机。

综上所述，研究如何来控制电机的转动在当今世界具有很强的现实意义和经济价值。

目前悬挂运动控制系统在国内外许多行业中都有着广泛的应用。

随着社会的发展，人们对悬挂运动控制系统提出了更高的要求。

悬挂运动控制系统的设计分为硬件设计和软件设计。

为了满足发展的不断需要，广大设计人员正寻求从硬件和软件两个方面取得更大的突破。

悬挂运动控制系统应该解决的主要问题是控制器如何控制电机的转动，通过控制器发出脉冲驱动，让两个电机转动，改变两端吊绳的长度，从而使吊绳上的物体在倾斜的板面上运动，在物体上固定有浅色的画笔，一边运动时在板上画出运动轨迹。

整个系统的设计分为硬件设计和软件设计两个部分。

硬件设计的核心是控制模块，主要解决单片机与电机的接口和电机的驱动。

软件设计主要对悬挂运动物体做各种不同的运动进行编程。

三、研究内容、方法、手段及预期成果
1．系统结构方案与控制策略选择
⑴系统结构方案选择
①核心控制器方案选择
方案一：采用传统的8位89C52单片机作为运动物体的控制中心。

52单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小等缺点。

本题目在确定圆周坐标值时，需要进行大量的浮点数运算，若采用89C52需要做RAM，ROM来扩展其内存空间，其硬件工作量将会增多。

方案二：采用16位单片机SPCE061A作为运动物体的控制中心。

SPCE061A具有丰富的资源：RAM，ROM空间大、指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、可编程音频处理，易于编写和调试等优点。

尤其在复杂的数学运算，其运算速度快，精度高，在控制步进电机时运行速度比一般52单片机快。

由于我目前手中没有16位单片机SPCE061A的开发环境和仿真软件，而89C52可以采用传统的keil和protues软件结合，易于实现仿真工作，具有较强的说服力。

基于上述分析，拟选择方案一。

②位置测量方案的选择
方案一：采用步进电机实现对悬挂物体的定位。

由于步进电机可对旋转角度进行精确控制，因此可以得到悬挂线的精确角位移，从而可以计算出线位移，进而可以得到悬挂物的精确位置，实现悬挂物的精确定位。

常用的有两相四线步进电机与两相六线步进电机等，转动一步精度可达到0.9°，线位移误差可以达到毫米级。

步进电机以L298芯片作为时序脉冲产生电路，就能实现控制效果，硬件电路结构相对简单，易于实现。

方案二：采用直流电机结合光电码盘实现对悬挂物体的定位。

此方案是将光电脉冲信号转化为角位移量，是工业控制中常用的方法。

编码盘转轴与直流电机转轴相连，通过安装在码盘两侧的透射式红外对管测得电机转过的角位移，电机运转平稳，精度可以得到保证。

只是电机角位移的测量电路与直流电机驱动电路结构复杂，难于实现。

在本设计中，因考虑到画笔画图准确性与电路复杂性，选择第一种方案，并采用控制性能高的步进电机来控制运动物体。

③任意轨迹探测方案的选择
方案一：采用反射式红外传感器阵列。

通过多个红外头的探测信号得到悬挂物的行走轨迹。

由于黑色物体与白色物体的反射系数不同，从而实现对黑白物体的分辨。

这是一种普遍的应用。

但其缺点是（1）、要不断地调整各传感器之间的距离，否则，由于反射距离较短，红外反射功率较小。

如果板面的纸张凸凹不平，或白纸表面有杂物，也会使单片机误判。

（2）、由于板面的黑线可能是墨水或者胶布，两种颜色都是黑的，但经实际实验发现它们的反光程度均不同，也会对红外传感器造成一定干扰。

方案二：采用光电传感器检测。

当光线照射到滑块运动的表面上时，会发生反射。

由于黑线与白纸的反射系数不同，光电传感器可根据接收到的反射光强弱来判断是否偏离黑线。

使用五个集成的反射式光电传感器，一个固定在悬挂物体的中间，其余四个位于悬挂物体的边上，中间的传感器可以起到主控作用，引起中断。

当物体运动时，若中间的传感器的状态没有变化，则周围四个传感器不会引起运动的变化，而继续原来的运动。

只有当中间传感器的状态发生变化时，才看周围四个传感器是否有状态变化，根据最先变化的传感器来确定物体运动偏离方向，然后单片机控制电机调整悬挂物体的运动，直至中间的传感器恢复原状态为止。

基于以上分析比较，选用了抗干扰能力强的方案二。

经过反复比较与论证，最终确定系统的系统框图如下图所示：
系统框图
⑵控制策略的方案选择（PID，模糊PID等）
方案一：采用开环控制系统。

通过对电机输出量的测量，来实现距离量的测量。

因开环控制系统不具有修正由于扰动而出现的悬挂模块实际走过的路程与计算输出量的偏差，故抗干扰能力差。

方案二：采用局部闭环控制系统。

在系统运动的指定轨迹上，加入反馈修正子模块。

在外壁不导电的漆包线上，每隔一段固定距离，刮掉一小段油漆露出导线芯，通过对导线芯的探测，达到测量实际路程值的目的，构成一个局部闭环控制系统。

显然，局部闭环控制系统对系统精度有很大程度提高，故选择方案二。

…………
2. 软件设计
该软件主要由四部分组成：主程序、中断子程序、电机驱动子程序和液晶显示子程序。

系统的软件设计采用了C语言，利用keil与protues软件，实现悬挂运动控制系统的仿真，从而完成了设计的各项功能和指标要求。

三、任务完成的阶段安排及时间安排
1—3周查阅文献资料,深入了解该系统的原理与控制方法写文献综述……
参考文献
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