悬挂控制系统(修改后).doc

悬挂控制系统张志勇 方力 余师倩摘要：本系统以单片机和FPGA 构成的最小系统为控制核心，分为步进电机控制模块、红外检测模块、人机交互模块等部分。该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80cm100cm白板上作自行设定的运动，物体携带画笔在白板上画出运动轨迹；控制物体沿板上标出的任意黑色间断曲线运动；实时显示物体所在位置的坐标。系统完成各项指标，界面友好。关键字：红外检测 步进电机 循迹运动1方案论证1.1题意分析图1.1 系统模型图1.1为系统模型。题目要求悬挂物体能快速响应控制命令，能连续、准确、平滑地在平面内移动。这样就要求两侧电机能准确配合，按照设定的角度旋转，进而带动悬线伸缩。注意系统的执行机构是画笔尖，物体的重心应集中于此。设计可分为两部分：（1）控制物体按设定轨迹运动，完成这个部分时让物体到达终点后原路返回看能否正好回到起始点，以此来检测。画好直线后再去画圆。（2）循迹运动，须在画笔上安装传感器阵列，以辨认黑色曲线走向，并将数据送控制核心处理，最后接收执行命令，沿曲线逐步前进。 画笔运动过程中，实际所达位置与预定位置之间的误差应控制在要求范围内，因此应采用应变系数小的吊绳，并且尽量使电机转盘同轴。1.2方案比较与选择a) 电机选择电机是整个悬挂控制系统的动力源，而题目并没有规定使用何种电机，所以在系统设计之初首先面临的一个问题便是选用什么电机。方案一：使用直流电机。直流电机输出功率大，带负载能力强，驱动电路简单，但精确控制直流电机转动角度不易实现。方案二：使用步进电机，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。其控制特性如图1.2所示。= ck ,其中为步进电机的角位移量,k 为脉冲数, c 为常数。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。而在步进角方面， 图1.2 步进电机控制特性我们选用的三相六拍式步进电机，步进转角最小可以达到1.5度，可以满足系统控制精度要求。我们最终采用了方案二。 b)控制方案的选择 方案一：为整体系统进行数学建模，得到物体运动到每一点的速度值和坐标值，对于速度值和坐标值的处理经由上位机PC完成，运用功能强大的数学处理软件Matlab来运算，通过上位机和单片机的通信，给下位机发出下一目标点的运动指令。但是这样处理的弊端是整个控制系统是以数学理论为中心，其数学结果的形式不和步进电机直接匹配，会使整体的控制误差显著恶化。   方案二：基于对步进电机步进方式的考虑，采取一种将物体运动坐标转化为步进长度的策略。通过控制悬线在一定时间内伸缩的长度就可以控制物体的运动方向。电机正转，则悬线伸长；电机反转，则悬线缩短。悬线变化的长度和电机转动的步数成正比。题目指标要求物体可以行走直线，圆周和一段现场给出的不确定间断曲线，对此三种运动线型采用统一处理的策略，即都使用微小直线段组合成复杂曲线。 出于对公式复杂度和程序可重用率的考虑，我们采用第二种方案。这样做不仅能由电机的步进直接实现，还可以将所有线型集中转化为对直线运动的研究之后再拼接组合复原。对于不确定的运动曲线，物体上的光电传感器阵列实时采集路线信息，将其传送给处理器进行方向判断，给出下一步运动目标点的相关信息。 c) 电机驱动模块的选择为保证控制的精度，需尽量采用高性能的驱动电路以保证步进电机良好的运转性能。采用集成电机驱动块。集成驱动块驱动能力强、工作稳定，其内部加入了光耦隔离器将控制电路与驱动电路完全隔离，防止了电动机在启动和制动时对控制电路造成影响。集成驱动块选择因所选用的步进电机而异，在本设计中使用三相步进电机，UP-3BF04型号的集成驱动块。该驱动器使用简单，只需要两根信号线便实现三相步进电机的精确控制，一根信号线通过输出逻辑电平控制电机的转动方向，另一个信号线通过输出频率可变的方波信号来控制电机的转动速度。d）光电传感器选择 作循迹运动时，物体需要区分黑线和白板。由于黑色物体和白色物体的光反射系数不同，调节光电传感器与检测对象之间的距离，使光敏三极管只能接收到白色物体反射回来的光束。对于黑色物体，由于其反射系数小，所反射回来的光束很弱，导致光敏三极管截止。利用反射光的强弱控制光敏三极管导通和截止，从而实现对黑白物体的分辨。方案一：可见发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光照条件改变，就很可能造成误判和漏判：虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功耗。方案二：采用反射式红外发射接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰。一般光源红外线频段能量较弱，对红外传感器的干扰较小，且红外线波长大，近距离衰减小，因此用红外传感器探测近距离黑线更加可靠。我们选用方案二，采用反射式红外传感器ST188。e)传感器的安装方法图1.3 传感器安装示意图将8个传感器均匀分布于画笔周围，并形成一个八边形以细化物体的运动方向。由于黑色物体和白色物体的反射系数不同，传感器的输出电平亦有不同，用硬件比较器标定传感器的阈值，将曲线的有无变换为高低电平送单片机I/O口，由软件寻找反射最弱的传感器方位，从而实现定位。安装示意图如图1.3所示。f)算法的选择若通过对已知曲线计算，将曲线转化为坐标点依次存入存储器，再控制电机使画笔依次移动到存储器中存储的各点，实现简单、执行速度快，但需要较大的存储空间；若实时计算曲线的斜率，根据斜率分别控制两电机的速度，来完成任意曲线的绘制，画出的曲线会很平滑，但算法复杂，控制困难。本系统适合采用图形扫描算法Bresenham算法，仅使用整数加法和乘2运算即可实现，速度快，精度高。 2系统总体设计本系统用单片机和FPGA构成的最小系统作控制核心。FPGA资源丰富，速度快，单片机运算能力强，控制灵活。充分发挥二者的优势，由单片机接收键盘数据，并对数据进行处理，计算出两步进电机的步数和转向，将参数传递给FPGA，FPGA完成数据存储、精确时序脉冲控制，记录下物体运动过程中的每个位置参数，配合集成驱动电路控制步进电机转动。该控制系统结构清晰，分为步进电机控制模块，传感器模块，键盘控制模块，显示模块。 图2 系统框图3理论分析与计算3.1步进电机工作原理 图3.1是三相步进电机结构示意图。这种电机定子上有六个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。六个齿构成三对磁极（A-A(一)、B-B(一)、C-C(一)），所以称为三相步进电机，磁极上有均匀分布的矩形小齿，转子上没有绕组，但有小齿均匀分布在其圆周上。图3.1三相步进电机结构示意图 它的工作过程是这样的：当一相绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成了N极和S极，产生磁场，并与转子形成磁路。磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他四个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准，即使转子齿与定子齿对齐，从而步进电机实现向前“走”了一步。如果给绕组施加有序的脉冲电流就可以控制电机转动起来，从而实现电脉冲信号到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转速与脉冲的频率成正比，转向则与脉冲顺序有关。三相电机电流脉冲的施加方式有三种：a)三相单三拍方式（按照单向绕组施加脉冲）：正转：ABC；反转：ACB。b)三相双三拍方式（按照双向绕组施加脉冲）：正转：ABBCCA ;反转，ACCBBA。c)三相六拍方式（单向绕组和双向绕组交替施加脉冲）：正转：AABBBCCCA ;反转，AACCCBBBA。其中，三相六拍式的步距角是1.5°，其他两种方式为3°。为了不产生累积误差，必须保证电机不失步，这和其运行矩频特性密切相关，如图3.2所示。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，使用的是常州微特电机总厂的45BC340F三相步进电机，采用三相六拍驱动方式， 图3.2 运行转距频率步距角（步长）是1.5°。经过实际测试，运行频率为100Hz时效果较好，启动也较快。3.2算法分析3.2.1系统模型分析 图3.3 悬挂运动控制系统模型简化示意图在此直角坐标系中，由于底板的左下角为坐标原点，所以两个滑轮的坐标分别为、，是受控物体，设其坐标为，、的长度分别设为a、b，满足： （1）当受控物体移动到, AC、BC的长度分别为a、b，满足： （2）采用两个相同的步进电机，设步长为，当物体从运动到 时，两电机分别运转步。由于吊绳长度不变，可得到如下关系式：； ； 其中 表示取整。 （3）=2r/360°，其中r为转轴半径，为电机步距角。（4）当获知受控物体运动轨迹的任意两点位置时，通过以上关系式就可以计算出电机要转动的步数和方向，从而可以实现对物体运动的控制。3.2.2直线绘制算法基于上述理论分析，我们用Bresenham算法产生直线，基本思想是微元法，用一段段连续的线段逼近直线。首先根据起点和终点计算出直线的斜率。然后根据程序中设置的最小x得出y，结合起点得出下一点的位置（X，Y），如果要画的是竖直直线，则只在Y方向有增量。第三步，由公式（1）（2）（3）可计算出两步进电机要转动的步数（m，n）和方向。从公式（3）我们可以看到由于电机的转动步数为整数，所以在计算过程中必然会引入舍入误差，而且随着移动距离的增加，这种误差会累积。我们用m、n来记录m，n的累积舍入误差，假若m超过1，则将当前的m加1，然后将m减1。对n，n进行同样处理,以此来减小舍入误差。为提高计算精度，每一点的位置参数（X，Y）以double型存储。3.2.3圆绘制算法画圆的思想与直线绘制思想类同，也用微元法，用正多边形逼近圆。为使产生的圆尽量精确，需要用尽可能多的在圆周上的像素点来画圆。将圆等分360份，每一份的角度为1°。由右图可得Y1-Y2=Rsin；X2-X1=R-Rcos（5）设置圆心和半径后，一般以过圆心且平行于X轴的割线与圆周的交点为起点。已知起点后由公式（5）可计算出圆周每一点的坐标，进而得出绳长的变化，同理可计算出电机转动的步数。 图3.4 画圆微元法示意图画圆算法中同样存在上述的累积误差问题，可采用和绘制直线同样的方法解决。3.2.4寻迹的算法为精确定位，将8个传感器“米”字形排列，如图 。根据传感器检测黑线的不同情况来判断物体的运动方向。循迹的难度在于曲线角度的多样性，我们设置这样的传感器阵列保证全方位的检测，但同时也导致了检测结果的多样性，软件设计时很难穷尽所有的情况。我们采用这样的方法，将运动方向用变量direct保存，direct取不同的值时物体执行相应的子程序按不同的方向运动，按照传感器的排列direct取值依次为1，27，8。判断方向时按邻位优先原则只判断当前direct自身和其左右传感器的电平高低，而不管其他的传感器输出状态如何。假设当前direct=2，第一种情况，只有2探到，则直接按原方向前进；第二种情况，两个传感器探到黑线，如2和3，则物体转向3运动，同时将direct值改为3；第三种情况，1，2，3都探测到，则运动方向不变。但在实验过程中可能会碰到这种状况，就是1，2 ，3都没有检测到黑线，这是可能是因为曲线的间断距离太长了，我们就让物体沿原方向继续前进，然后再检测，再前行4主要功能电路设计4.1步进电机驱动模块我们使用的是UP3BF04型电机驱动器，操作方便，控制信号可由FPGA直接引出，编程实现对它的控制。如图4.1：控制线2控制线1 图4.1 UP3BF04驱动器与 步进电机连法其特点是: 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;自动半流锁定功能,驱动电流可达4A ; 所有控制信号与功率驱动部分光电隔离; 散热外壳与驱动器内部完全绝缘。其给引脚说明如下：1) 电机驱动部分A :电机绕组A 相接红线端B :电机绕组B 相接绿线端;C:电机绕组C 相接黄线端。2) 控制部分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;FREE：脱机端,高电平有效,即FREE = 1 时,电机处于释放状态;SGND：所有控制信号地线,此端须与驱动电源地线(GND) 隔离;VDC：电机驱动电源,直流1840V ,不要求稳压,可承受- 20 % + 15 %的电压波动;GND：驱动电源地线, 此端须与信号地线(SGND) 隔离。4.2黑线探测模块a） 红外传感器我们选用ST188反射式红外传感器。ST188采用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，413mm可用。 其响应时间受亮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色轨道的平整。引脚图如图4.2 。图4.3 红外传感器电路 图4.2 ST188引脚图 红外传感器电路如图4.3。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，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。FPGA内的控制模块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。在不同光照条件下，改变标准电平可增强系统的适应性。b)比较器电路此次用到8个传感器，故需要8个比较器。我们选用2片LM339。LM339内集成了四个电压比较器，该电压比较器失调电压小，典型值为2mV；单电源供电，+2+36V；对比较信号源的内阻限制较宽。LM339类似于增益不可调的运放。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端的电压差大于10mV时就能保证两种输出状态的可靠转换，适用于弱信号的检测。LM339的输出端为晶体三极管，在使用时输出端须接一只3-15K的上拉电阻。当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。因此输出高电位的值受上拉电阻阻值的影响。另外，各比较器的输出端可直接并联使用。实践中我们发现滞回比较器处理双极性信号效果很好，却不适合处理单极性信号。因而本系统中用的只是单限电压比较器。只要适当地调节RP,设置合理的门限电平就可以了。 图4.4 比较器电路 4.3 FPGA 设计 FPGA（Altera公司的Cyclone系列的EP1C6QC240）提供数据服务部分（向单片机提供数据接口，接受单片机的控制接口）、对键盘、液晶与单片机之间的数据交换进行管理。除此之外，主要用于实现两个步进电机的驱动控制。如图4.5。图4.5 电机驱动的控制逻辑5系统软件设计本系统的实现涉及到坐标系的变化，基于对步进电机步进方式的考虑，将物体运动坐标转换为电机的直接操作量左右悬线的长度，这实际上将直角坐标转换为三角坐标。软件对传感器采集的信号和键盘输入的数据进行处理，控制步进电机来伸缩悬线，实现物体按设定轨迹运动或循迹。按设定轨迹运动的实现则采用了微元法的思想。通过输入数字键来设定各种坐标参数，而功能键则是用来选择画直线、画圆、循迹三种运动。系统还要控制液晶实时显示物体的坐标参数。6系统调试与指标测试6.1测试仪器XXX计算机直流稳压稳流电源： 型号 SG173SB360M双信道数字存储示波器： 型号 Tektronix TDS 1002数字信号源： 型号 Agilent 33120A6.2调试方法 本系统调试采用了分步调试与整体调试的方法。首先调试步进电机，找出合适的运行频率而且观察其是否按照既定方式准确运行。再调试红外探测模块看能否正确探到黑线并观察高低电平的大小以便设置比较器的门限电平，然后顺次调试各个运动模式，直线、画圆、寻迹。作为一个控制系统，在确保前端电路可靠运行的前提下，其控制精度和响应时间主要是通过调整软件参数来实现。因此，软件的测试与修改是该系统调试的重点。6.3测试结果a)点到点运动的测试（从原点出发）实际位置目的位置第一次第二次时间s停止位置cm时间s停止位置cmb)圆周运动的测试圆心的位置cm最大轨迹偏差cm时间sc)寻迹运动测试寻迹序号最大轨迹偏差cm时间s6.4测试结果分析 本系统无论是在精度还是时间上均达到了题目要求，刚开始精度不够，因此我们又重新从画直线开始来提高精度。最后画出的圆很平滑，我们还增加了绘制正弦波的功能。6.5误差分析及改进措施其一是笔尖和悬挂点不在同一平面引入的误差，应尽量使三点处于与白板平行的平面。其二是悬线的形变引入的误差，改善措施是使用应变系数小的悬线和适当增加悬挂物体的重量。我们用的画笔较重且较长，开始物体重心偏后，因此我们想办法加重物体前部的重量，使重心集中在笔尖处，这样划线时笔尖就不会打颤了。再就是绕线产生的误差。解决办法是根据力学分析采用机械的办法保证绕线不重叠，并且使用半径小的悬线使绕线在横向延伸的距离减少，从而减少误差。且转轴半径越小精度越高。之前就已谈到用白色钓鱼线效果很好，很细且应变系数小，使得控制精度得到很大提高。然后初始定位时需提供物体坐标，而这个坐标数值是人为读数得来，这会引入读数误差。7总结做控制类题目会遇到一些非技术问题，比如本实验中电机绕线不重叠的控制，画笔模块的重心问题，又要保证其能在画板上稳当的行走而不发生翻转，还有寻迹黑线的平滑与否等问题，耗费了我们不少精力和时间。但也只有解决了这些问题才能更好地完成指标。参考文献XXX