运动控制实训报告

1、实训成绩批阅教师日 期实 训 报 告课程名称 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 实训地点 2013 年 12 月 4 日目录项目一11.1项目名称11.2项目内容及要求11.3题目分析及设计思路11.4方案设计说明11.5单元设计说明21.5.1 ne555占空比可调电路21.5.2带保护的h桥驱动电路31.6完整电路原理分析41.7制作、调试情况51.8实训成果5项目二62.1项目名称62.2项目内容及要求62.3题目分析及设计思路62.4方案设计说明62.5完整电路原理分析72.5.1整体电路图72.5.2程序流程图82.5.3程序82.6制作、调试情况112.7实训成果11项目三12

2、3.1项目名称123.2项目内容及要求123.3题目分析及设计思路123.4方案设计说明133.5完整电路原理分析133.5.1红外管安装示意图133.5.2总体电路图143.5.3程序流程图143.5.4程序143.6制作、调试情况163.7实训成果16心得体会16项目一1.1项目名称直流电机调速控制1.2项目内容及要求内容：根据给定的直流电机，试设计、制作一个pwm调速可逆驱动控制电路，能在0v、5v的方向控制电压和05v的转速控制电压的作用下，使电机正转、反转、加速、减速。电路形式不限。要求：1. 画出电路的系统框图，说明电路方案设计的思路、理由或依据；2. 分单元画出各单元具体的电路图

3、，阐述电路的工作原理，介绍电路中主要元器件的作用及其参数的确定原则或依据；3. 画出完整的电气原理图，介绍整体电路的工作原理；4. 如果采用了单片机，给出单片机程序的流程图和清单，说明程序的工作原理。5. 制作实物电路，验证设计、制作是否正确。1.3题目分析及设计思路本项目的设计要点是调速和换向。应当注意的是：如果采用h桥式驱动，同一边的两个晶体管不能同时导通；电机启动时，瞬间电流会稍大一些，设计时应当考虑。电动机要实现换向，可以调换电源正负极和励磁电源正负极，对于永磁直流电动机，只能调换电源正负极。单片机能给某个io高电平或低电平，但驱动电机，没有足够的驱动能力（驱动电流小，带负载能力弱），

4、利用三极管组成h桥式电路可以解决驱动及换向的问题。h桥式电路可以是集成的h桥芯片，也可以根据原理，采用分立元件构建h桥。电动机要实现调速，一般采用调压调速，常用的方法为pwm调速。pwm实现的方法常用的有集成pwm模块（如单片机片上pwm）和ne555占空比可调。1.4方案设计说明电动机调速采用ne555占空比可调电路实现。ne555能产生占空比可调的方波，实现简单，价格便宜，能基本完成相应功能，而集成pwm模块价格昂贵，用于这里有点大材小用了。电动机换向采用分立元件构建h桥的方式。市场上有集成的h桥芯片，如l9110h、lm298n等专用电机驱动芯片，基于实验室没有h桥芯片，实际的设计当中采

5、用分立元件构建h桥，这样，在设计上就要充分考虑到h桥驱动的注意事项（同一边的两个晶体管不能同时导通）。最终采用ne555占空比可调pwm电路和分立h桥电路的方案，系统框图如下图1.1所示。ne555占空比可调电路带保护的h桥驱动电路mdirpulse图1.1、电动机调速系统框图1.5单元设计说明1.5.1 ne555占空比可调电路如图1.2所示，为ne555占空比可调电路原理图。图1.2、ne555占空比可调电路原理图ne555占空比可调电路是由一般的555多谐振荡器演变而来，根据二极管的单向导电特性，将充放电回路隔开，实现频率不变，占空比可调。理论上，该电路占空比可调范围为：r1/(r1+r

6、v1+r2) r1+r2/(r1+rv1+r2)即8.3%91.7%。增大滑动变阻器的阻值或减小r1和r2的阻值，可以增大调速范围，但不能达到100%。虽说电机无法达到全速，但实际控制中，占空比为91.7%，已经很接近全速了。1.5.2带保护的h桥驱动电路如图1.3所示，为h桥驱动电路。 图1.3、h桥驱动电路h桥驱动电路的形式为上半臂为pnp型三极管，下半臂为npn型三极管，形状酷似h，故名h桥。如上图所示，当q1和q4导通时，电机正转；当q2和q3导通时，电机反转。实际设计中大体有两种控制方法：1、a控制q1和q4的导通和截止，b控制q2和q3的导通和截止；2、a控制q1的导通（截止），控

7、制q4的截止（导通），b控制q2的导通（截止），控制q3的截止（导通）。前一种控制方式有一个弊端：若a、b同时输入高电平，会导致四个晶体管都导通，电源会短路，在设计中还需要逻辑分析和设计。后一种设计方法就克服了电源短路问题，不管a、b是什么电平，同一桥臂的上下晶体管不可能同时导通。如果a、b同时为0，因为q1和q3没有导通，q2和q4仅仅作为二极管；如果a、b同时为1，因为q2和q4没有导通，q1和q3仅仅作为二极管；此次的设计就是采用了方式2的控制方法。1.6完整电路原理分析电路分为两部分：ne555占空比可调电路和h桥驱动电路，如下图1.4所示。图1.4、完整电路原理图电路原理说明：ne5

8、55占空比可调电路产生pwm可调的脉冲，当滑动变阻器rv1向上滑动时，充电时间减小，占空比减小（方波频率不变），当滑动变阻器rv1向下滑动时，充电时间增大，占空比增大。h桥驱动电路有三个控制端：a、b和en。当a=1,b=0时，电机正转；当a=0,b=1时，电机反转；当a=0,b=0（或a=1,b=1）时，电机不转。现就a=1,b=0,的情况作分析：a=1，控制信号经过r9和74ls04，信号反向为0，q2截止；a和en经过74ls08与门控制q1和q5的导通截止，en=1，q1和q5就导通，en=0，q1和q5就截止；b=0，q3和q6截止；控制信号经过r10和74ls04，信号反向为1，该

9、信号和en经过74ls08与门控制q4的导通截止，en=1，q4就导通，en=0，q4就截止；因此，a=1,b=0时，实质是en控制q1和q4的导通截止。en端占空比越大，给电机的平均电压就越大，电机转速也高，两者结合，起到方向和速度的控制。1.7制作、调试情况ne555占空比可调电路在课本上有基本原理图，根据实际情况选定频率，计算电阻、电容的值，只要元器件是好的，焊接没有错误，就能实现占空比可调。制作过程中遇到问题的是h桥驱动电路的制作。在最初的设计中，并没有q5和q6，电路图如图1.5所示。图1.5、最初h桥设计在a=1，b=0，en=1的情况下，电机不转，理论上a点电位为5v，b点电位为

10、0.7v，测试a点点位为2.3v，q1还有点烫手。于是断开a、b、c、d四点，分别测控制电压a=5v，b=0v，c=0v，d=5v，完全正确。可以确定控制信号接上h桥驱动部分后，信号出错了，还可以肯定错误在上半桥臂。查阅课本，发现pnp型三极管与npn型三极管的不同，h桥的q1基极电流是流出的，74ls08控制q1的电流也是流出的，电流同时流向同一节点a，没有流出，这与基尔霍夫电流定律kcl相悖，最后在a、b亮点分别加了q5和q6，解决了电流的问题，电机运行正常，三极管也没有发烫的现象了。1.8实训成果电机在a=5v、b=0v的方向控制电压下，能够正转，在a=0v、b=5v的方向控制电压下，能

11、够反转；在占空比可调的脉冲控制下，能够加速、减速。电机的调速范围比较宽，调节滑动电阻器，使电机加速，启动过程中，不需要人为的拨动电机，就可以转起来，并且三极管没有发烫的现象，运行良好。项目二2.1项目名称步进电机驱动2.2项目内容及要求内容：用三个发光管指示灯代替步进电机的三相绕组，试设计、制作一个“单三拍”驱动控制电路，使步进电机能在0v、5v的方向控制电压和5v的控制脉冲的作用下“正转”或“反转”。电路形式不限。要求：1. 画出电路的系统框图，说明电路方案设计的思路、理由或依据；2. 分单元画出各单元具体的电路图，阐述电路的工作原理，介绍电路中主要元器件的作用及其参数的确定原则或依据；3.

12、 画出完整的电气原理图，介绍整体电路的工作原理、性能或特点；4. 如果采用了单片机，给出单片机程序的流程图、清单并说明程序的工作原理。5. 制作实物电路，验证设计、制作是否正确。2.3题目分析及设计思路本项目的设计要点是步进电机的换向。步进电机的正反转由励磁脉冲产生的顺序来控制。基于有实物步进电机，在设计时，采用“单四拍”的驱动控制方式。四相步进电机的励磁信号引线有四根，分别为a、b、 ，当电机要正转时，给四条信号线通电的顺序为aba;当电机要反转时，给四条信号线通电的顺序为aba。由上述的驱动顺序来看，有点像流水等的驱动。其实就是相同的驱动方式，只不过驱动所需的电流不同而已。因此步进电机的驱

13、动大体有三种：1、基于数字计数芯片的纯硬件电路，2、基于门电路和触发器的环形分配器3、基于单片机的编程。利用单片机编程驱动的话，要考虑到单片机的io驱动电流小，带负载的能力较弱，利用达林顿管uln2003a可以解决驱动。2.4方案设计说明基于数字计数芯片的纯硬件电路，能很好的实现步进电机的正反转，但需制作一个脉冲发生器，电路相对复杂；基于门电路和触发器的环形分配器，电路简单，但逻辑关系复杂，需要的门电路芯片较多，焊接繁琐；基于单片机的步进电机驱动，不仅结构简单，而且利用单片机实现流水灯是一件非常容易的事情，步进电机脉冲频率可以通过延时的大小来设置，程序很简单。最终采用基于单片机的步进电机驱动的

14、方案，系统框图如下图2.1所示。单片机步进 电机按键uln2003a电机驱动图2.1、步进电机驱动系统框图2.5完整电路原理分析2.5.1整体电路图如下图2.2所示，为步进电机驱动整体电路图。图2.2 步进电机驱动整体电路图2.5.2程序流程图开始int0、int1、t0初始化state_flag= =1direc_flagnodirec_flag=1direc_flag=0正转反转结束int0中断入口int1中断入口t0中断入口关中断使能ea运行标志复位方向标志复位退出中断开中断使能ea关中断使能ea运行标志置1方向标志置0退出中断开中断使能ea关中断使能ea运行标志置1方向标志置1退出中断

15、开中断使能ea2.5.3程序#include sfr auxr = 0x8e; bit state_flag; /电机运行状态标志bit direc_flag; /定义正反转标志位unsigned char code f_rotation4=0xf1,0xf2,0xf4,0xf8; /正转表格unsigned char code b_rotation4=0xf8,0xf4,0xf2,0xf1; /反转表格/*/* 延时函数 */*/void delay10ms()/11.0592mhzunsigned char i, j;i = 18;j = 235;dowhile (-j); while (

16、-i);void delay(unsigned int i)/延时 while(-i);/*/* 主函数 */*/void main() unsigned char i; p0=0; ex0=1; /外部中断0开 it0=1; /边沿触发 ex1=1; /外部中断1开 it1=1; /边沿触发 auxr = 0x80; /t0 工作在 1t 模式 tmod = 0x06; /计数器8位自动重装 tl0 = th0 = 0xff; /定时器装满，用于扩展为外部中断 tr0 = 1; /t0运行 et0 = 1; /使能t0 ea=1; /全局中断开while(1)while(state_flag

17、)if(!direc_flag) for(i=0;i4;i+) /4相 p0=f_rotationi; /输出对应的相 可以自行换成反转表格 delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 else for(i=0;i4;i+) /4相 p0=b_rotationi; /输出对应的相 delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 /*/* 中断入口函数 */*/void sta_key(void) interrupt 0 ea = 0; state_flag= 0; direc_flag= 0; p0 = 0xf0; delay10

18、ms(); /消抖 ea = 1; void t0int() interrupt 1 /t0中断,正启动 ea = 0; if(!state_flag) state_flag= 1; direc_flag= 0; delay10ms(); /消抖 ea = 1;void dir_key(void) interrupt 2 ea = 0; if(!state_flag) state_flag= 1; direc_flag= 1; delay10ms(); /消抖 ea = 1;2.6制作、调试情况制作过程中，主要遇到两个小问题：步进电机的驱动频率的确定和外部中断资源的扩展。1、步进电机的驱动频率

19、的确定。给步进电机四个励磁信号线依次高电平，时间间隔不能太小，也不能太大。太小，步进电机会失步甚至不转；太大，步进电机转到缓慢，看不出在转动。调试时时间间隔先以10倍的速率递减，确定时间范围后，再逐步逼近理想的转速。2、通用的51单片机，都只有两个外部中断，而方案中用到了三个按钮，不想用按键扫描，主要是浪费资源和程序复杂化。于是用t0扩展为下降沿触发的外部中断，解决了这个问题。2.7实训成果基于有四相步进电机，制作时就没有采用led灯仿真，而是设计成睇相步进电机的“单四拍”驱动。当按下正转按钮，步进电机开始正转；当按下停止按钮，步进电机停止；当按下反转按钮，步进电机开始反转。如果步进电机正在正

20、转，按下反转，电机不会反转，必须按下停止后，再按反转，才会反转，反之亦然。步进电机在四路励磁驱动信号的驱动下，能平稳的运行，没有失步现象。项目三3.1项目名称正反转加减计数器3.2项目内容及要求内容：试设计一个用增量式编码器检测位移量的电路，即编码器正转时计数值增加，编码器反转时计数值减小。最大计数值为99，用数码管显示，编码器根据原理自制，不要求精度，其他电路形式不限。要求：1. 画出电路的系统框图，说明电路方案设计的思路、理由或依据；2. 分单元画出各单元具体的电路图，阐述电路的工作原理，介绍电路中主要元器件的作用及其参数的确定原则或依据；3. 画出完整的电气原理图，介绍整体电路的工作原理

21、，要讲清编码器输出脉冲的情况；4. 如果采用了单片机，给出单片机程序的流程图和清单，说明程序的工作原理。5. 制作实物电路，验证设计、制作是否正确。3.3题目分析及设计思路本项目的设计要点是辨向，辨向电路要求很严格，一些对信号的不利因素都会导致辨向的失败。辨向的实现是利用两对红外管，编码器进过红外时，会产生0101的脉冲。红外管在安装上有一定的讲究，使红外接收管发出的脉冲成90度的相位差。辨向采用边沿识别的方法，因此，辨向的最关键的就是正反脉冲的生成，利用上升沿和下降沿完成。边沿识别的方法大体有三种：1、利用微分电路对上升沿和下降沿进行微分，产生正负脉冲，再利用二极管的单向导通特性，产生上升沿

22、脉冲和下降沿脉冲，再脉冲整形，最后与逻辑得到正向脉冲和反向脉冲。2、利用倍频电路分别提取上升沿脉冲和下降沿脉冲，再进行与逻辑得到正向脉冲和反向脉冲。3、利用单片机软件解码，将辨向和计数整合在一起。加减计数，数码管显示的功能可以采用计数器加数码管译码器的方式实现，也可以利用单片机计数加译码。3.4方案设计说明经测试，利用二极管单向导通特性，实现的辨向脉冲抗干扰能力差，对编码器转动的速度有一定的要求，速度范围窄，经常出现多计数、少计数和不计数。利用单片机软件解码辨向，程序复杂，不能锻炼硬件的设计能力。而常用的倍频电路繁多，结构简单，大都采用上升沿和下降沿脉冲叠加倍频的方式，只要将上升沿和下降沿脉冲

23、提取出来，与另一路信号与逻辑，就可实现辨向。因此，本项目的设计参考倍频电路，经过改进而得到的方案，计数部分鉴于没有计数芯片，用单片机进行计数和数码管驱动。系统框图如下图3.1所示。单片机计数及解码数码管显示红外对管传感器辨向加减脉冲电路图3.1、正反转加减计数器系统框图3.5完整电路原理分析3.5.1红外管安装示意图下图3.2为红外对管安装示意图。图3.2 红外对管安装示意图3.5.2总体电路图如下图3.3所示，为正反转加减计数器整体电路图。图3.3 正反转加减计数器整体电路图3.5.3程序流程图开始结束int0、int1初始化int0中断入口计数num-1数码管显示int1中断入口ea置1退

24、出中断退出中断计数num+13.5.4程序#include sbit duan=p26; /申明段选sbit wei=p27; /申明位选unsigned char count=0;unsigned char code num= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /09void delay_ms(unsigned char x) /延迟函数 unsigned char i,j; for(i=x;i0;i-) for(j=110;j0;j-);void intinit(void) it0 = 1; /set int0 int t

25、ype (1:falling 0:low level) ex0 = 1; /enable int0 interrupt it1 = 1; /set int1 int type (1:falling 0:low level) ex1 = 1; /enable int1 interruptvoid display(void)unsigned char a,b; a=count/10; b=count%10; duan=1; p0=numa; duan=0; p0=0xff; /消影 wei=1; p0=0xfe; wei=0; delay_ms(5); duan=1; p0=numb; duan=

26、0; p0=0xff; /消影 wei=1; p0=0xfd; wei=0; delay_ms(5); void main() intinit(); ea = 1; while(1) display(); void exint0() interrupt 0 if(count0)count-; void exint1() interrupt 2 if(count99)count+; 3.6制作、调试情况在制作过程中遇到了两个重要的问题。1、最先采用了二极管单向导通特性的方案，在计算机上仿真完全正确，焊接完实物后测试，用函数信号发生器给标准的信号，测试也是正确的，当改接红外对管输出信号时，就出现计数漏记的显现，而且计数要想很好，编码器旋转的速度必须很快，慢了就出现漏记或者不计，加了滤波电容后，信号被过