悬挂运动控制系统 尹延辉

1、试题编号：E 题 目： 悬挂运动控制系统学 校： 哈尔滨工程大学姓 名： 尹延辉 姓 名： 于航姓 名： 王船宝摘要和关键词【摘要】：本系统主要由AT89S52作为主控芯片,来实现全部的数学计算和程序储存,并且通过并口来控制电机运动达到在图板上画图的目的,步进电机采用L297作为控制芯片,L298作为功率驱动电路。执行机构采用步进电机做动力,采用步进电机可以省去闭环控制中的位置传感器,而且运动精度有大大的提高,我们采用的步进电机的步进角只有1.8对于本系统精度已足够用了,另外我们的设计还有许多特点,都可以将误差控制在一定的范围内,最后再进行修正即可。【关键词】：AT89S52 L297 L29

2、8 步距角 闭环控制 步进电机Abstract and Key Words【Abstract】： This system mainly makes the AT89S52 as the lord to control the chip, carry out all mathematics calculations and the procedure storage, and pass to combine to control the electrical engineering sport to attain the purpose that draws on the drawing boa

3、rd, treading into the electrical engineering to adopt the L297 conduct and actions control chip, the L298 is the power to drive the electric circuit.Carry out the organization adoption treads into the electrical engineering to do the motive, adopt to tread into the electrical engineering and can shu

4、t the wreath control is with the province of position spreads the feeling machine, and exercise the accuracy contain huge exaltation, what we adopt tread into the electrical engineering to tread into the Cape to only have 1.8 s to have already used enough to this system accuracy, another our design

5、still have many characteristicses, can control error margin within the scope of certain, the end carry on again to revise.【Key Words】：AT89S52 L297 L298 Step Angle Closed loop control Step Motor目录第一章 设计任务与技术指标-61.1设计任务-61.2技术指标-71.3题目简评-7第二章 方案论证与比较- 82.1闭环控制系统- 8 2.2开环控制系统- -9第三章 系统硬件设计-103.1系统的总体组成

6、-103.2步进电机的驱动电路-103.3步进电机控制-103.4相位顺序的产生- -133.5负载电流的调节- -143.6相位斩波和禁止斩波-153.7步进电机驱动芯片L398-15-3.8步进电机的基本原理-163.9步进电机的基本参数-17第四章 系统软件设计-204.1程序流程图-204.2程序清单-20第五章 系统的组装-215.1整机结构图及工艺说明-21第六章 系统调试-226.1电路的调试方案-226.2测试结果-226.3测试结论-23参考文献-24致谢-25附录一-26附录二-29附录三-30第一章 设计任务与技术指标1.1 设计任务：设计一电机控制系统，控制物体在倾斜（

7、仰角100度）的板上运动。在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为80cm100cm。物体的形状不限，质量大于100克。物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。板上标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点, 示意图如图1所示。图1 电机控制原理示意图1.2 技术指标：1.2.1基本要求：l 控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；l 控制物体在80cm100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成；l 控制物体作

8、圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成；l 物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于40cm)。1.2.2发挥部分：l 能够显示物体中画笔所在位置的坐标；l 控制物体沿板上标出的任意曲线运动(见示意图)，曲线在测试时现场标出，线宽1.5cm1.8cm，总长度约50cm，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约30cm；后一部分是两段总长约20cm的间断线段，间断距离不大于1cm；沿连续曲线运动限定在200秒内完成，沿间断曲线运动限定在300秒内完成；l 其他。1.3 题目简评：在各种机械车床中尤其是数控车床中，常常会见到一些坐标类的车

9、床,它可以完成在规定平面内任意一点的精确定位,还可以在指定轨迹上精确的运动。甚至在某些机械上已经发展成为三维立体坐标系,这样就可以在三维空间内任意一点定位了,但是上述这些大部份都是以直角坐标系为主。而本题中巧妙的应用绳索将平面直角坐标转换成为了有两根长度决定的新的坐标系,在机械结构上有了新的突破,首先用绳连接的柔性要远远好于用丝杠而且便于架设,其次就是用绳连接的要比丝杠连接的所受到的摩擦力小机械磨损也会随之减小,最后就是结构简单这点也是最重要的,往往一个机械结构好与坏与其自身的复杂程度是密切相关的。整个系统由两个步进电机做驱动机构,滑块的位置完全有两个步进电机带动绳索来移动位置,只要算出直角坐

10、标系转换成两根绳索的长度变化就可以通过步进电机来控制滑块的运动。只要将所需要的计算交给单片机即可完成控制全过程,在开环控制中误差始终是存在的,各种各样的误差积累在一起就形成了一个不可忽视的问题,为了减小积累误差在最后的实验过程中不断的测量积累误差,最后取其平均值,用单片机将这个误差减去以便将总的实验误差限定在一个允许的范围内，使运动更加精确。第二章 方案论证与比较 实现控制的方法大体分成以下两种2.1 闭环控制系统 这种方案是一种精确度比较高的方案,具体原理是系统采用闭环控制,用一些传感器检测当前滑块的绝对位置,然后反馈到控制系统进行处理转换成步进电机所需要的信号,交给步进电机执行相对的运动,

11、而且在运动过程中还可以检测滑块运动轨迹方程,也可以进行改进来识别在画图区域内的一些曲线段,如此反复采集数据、计算、执行等等,就组成了一个闭环控制系统。要实现闭环控制必须要有精确的传感器,而且传感器的精度和复杂程度都要求的比较高,否则在运动过程中很容易产生较大的误差,滑块携带传感器,而且传感器还得和控制系统通信这样就有引来了更复杂的设计。（闭环控制原理如图2所示）图2 闭环控制原理采用闭环控制的电路可靠性较高，控制由于采用了光电检测机构，所以在平板上寻迹变的容易些，就是在传感器的制作方面有些难度！如果在短时间内完成任务，对整个队员是个不小的考验，再有就是滑块上要装传感器的话难免会遇到一些数据传输

12、上的问题，数据传输莫非就有两种形式，一种是采用有线传输协议，但是有引来了另外一种问题，用电线将滑块采集到的数据传输出去，电线直接会影响到滑块的整体受力问题。另一种方案就是采用无线数据传输模块，要是实施起来也有不小的难度，为此我们采用了下面的方案。2.2 开环控制系统 我们采用的就是开环控制系统，开环控制系统中不需要在滑块上添加传感器，在滑块上携带画图所用的画笔即可，此就不需要像在闭环中有复杂的传感器电路。开环控制中主要是将机械部分抽象成为数学模型,建立数学模型后通过相应的数学计算将方程给出，后交给单片机进行数学计算,由于单片机的位数限定，计算过程中还要适当的取舍，利于数学计算，后通过实验的方法

13、测定相应的误差范围,再次对单片机内的程序进行修正，达到进一步校正的目的,此种方案主要是在单片机软件编程方面复杂些，他的硬件部分只要精度在误差允许情况下都可以正常工作。我们的设计就是采用了闭环控制方案,其优点就是硬件电路简单,可靠性高,所有的数据处理都由单片机完成,并且只要通过读寄存器中的数据在加上单位换算就可以实时的显示当前滑块所处位置的坐标,而且所有的数据都存在片内,用的时候只要调用即可。第三章 系统硬件设计3.1 系统总体组成: 本系统主机硬件以AT89S52为主控制模块，以键盘,液晶显示模块,电机驱动模块作为受控模块。在单片机内集成这各种算法,只要输入坐标就可以到达预定的目标。3.2步进

14、电机驱动电路: 图3：步进电机驱动电路 我们设计悬挂运动控制系统采用的是:35BYGB4401 步进电机作为驱动电机，步进电机外形如图4所示，具体参数见说明。步 距 角（Step Angle）-1.8deg环境温度（Ambient Temperature）- -25+40温升（Temperature Rise）- 85K绝缘电阻（Insulation Resistance）- 500V DC 100M MIN绝缘等级（Insulation Class）- B图4 步进电机外形3. 3步进电机控制芯片L297步进电机控制芯片用L297，L297是意大利SGS公司生产的步进电机专用控制器。它集中了

15、控制单极和双极步进电机所需要的全部控制电路。L297与一个全桥式驱动器，例如L298配合使用，并与单片机或微机接口就会组成一个完整的微处理机控制系统。用一个297外加一个四达林顿阵列集成电路就可以驱动单极步进电机。下面主要是介绍这种集成电路的工作原理。L297内部结构方框图（图5） L297系列集成电路内部结构方框图如图(5)所示。这两种集成电路采用了SGS公司的模拟 /数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的联接都是与TTL/COMS或集电极开路的晶体管兼容。高密度是集成电路的制做技术的主要特点之一，因此L297的管芯是特别紧凑的。集成电路各管脚功能见表一。表一：电机控制L297

16、引脚功能管 脚符 号功 能1SYNC芯片上的斩波器输出端，如多个L297同步控制，所有的L297SYNC端要连在一起，仅用一套振荡元件，其余振荡元件省掉，如要使用外部时钟脉冲源，脉冲源要接到这一端上。2GND接地端3HOME 集电极开路输出端，当L297是处于初始状态ABCD0101时，当这端信号是有效时，晶体管开路4A 功率级的电机A相驱动信号5INH1 控制A相和B相的驱动级，低电平禁止起作用。当一个双向桥电路采用这个信号时，可使被激磁绕组产生负载电流快速衰减。如CONTROL输入端是低电平时，也可用斩波器调节负载电流6B 功率级的电机B相驱动信号7C 功率级的电机C相驱动信号8INH2

17、用来控制C相和D相的驱动级，低电平禁止起作用，功能与INH1相同9D功率级的电机D相驱动信号10ENABLE 芯片的使能输入端，当出现低电平时，INH1,INH2,A,B,C,D都为低电平11CONTROL 规定斩波器运行控制的输入端，低电平时使INH1和INH2起作用，高电平时使相线A,B,C,D起作用12Vs 5v电源输入端13SENS2C相和D相功放负载电流检测输入端14SENS1 A相和B相功放级负载检测电压的输入端15Vref 斩波器电路的基准电压，加到这个管脚上的电压决定峰值负载电流16OSC与这一端相联的RC网络决定斩波比（R接Vcc，C接地）f= RC,在多相L297同步工作时

18、，要以一个器件的这一端为基准，R10K17CW/CCW 正，反向控制输入端。电机实际旋转方向由绕组的连接方法决定，内部整定，方向随时可以改变18CLOCK步进时钟脉冲输入端，在这个输入端为低电平时，工作脉冲送给电机一个增量19HALF/FULL 步进方式选择输入端。当高电平时选择半步工作方式。低电平时选择全步工作方式。当L297变换器在偶数状态时选择FULL得到全步方式的第一种状态。当变换器是在奇数位时通过选择FULL。被置于全步方式的第二种状态（把HOME状态定为1态）20RESET 复位输入端，在这个输入端上有效低电平脉冲使控制器恢复到复位状态（1态，ABCD=0101），L297步进电机

19、控制器是与L298或桥式驱动器配套使用的，它能接收来自单片机的驱动信号，另外，宏观世界的内部还带有两个PWM斩波器电路去调节步进电机绕组中的电流。用一个合适的调节器L297能驱动两相双极永磁阻步进电动机。此外，它控制正交波驱动和半步驱动方式。 L297加驱动器组成的步进电动机控制电路有以下优点：使用元件少，组件的损耗低，可靠性高，体积小，软件开发简化，并且微机（或单片机）硬件制造费用大大减少，L297与L298一起合用控制双极步进电机工作电流可过2.5A。与L293E配套使用，步进电机绕组电流可过1A。如用功率晶体管或达林顿功率管能得到更大的电机绕组电流，而对单极步进电动机可用达林顿阵列L71

20、80。L297控制的步进电机可用于如打印机的托架位置，台的位置，记录仪进给机构的进给；打字机，数控机床，软盘驱动器；机器人，绘图仪，电子熔接机，收款机；复印机，照相机，记录磁带阅读器，光电特性识别器，电动阀门等。相对于半步顺序的输出波形。3.4 相位顺序的产生在L297的方框图中变换器是L297的一个重要部分，它产生一相半步，全步和两相全步工作的适当相位顺序。输入端以两种工作方式控制这个变换器，这些输入端是方向CW/CCW，HALF/FULL和从一步紧接下一步不断送给变换器的一个步进时钟脉冲CLOCK。由变换器产生四个输出送给后面的输出逻辑方块图，输出逻辑方块图完成禁止和斩波功能。内部变换器由

21、一个三位计数器加某些组合逻辑电路组成，产生一个基本的八步格雷码顺序如图所示。三种方式的驱动顺序都可以很容易地根据这个码产生，状态顺序直接与半步方式相符合，只要在HALF/FULL输入端选择一个高电平。这种顺序的波形如图（7）所示。图（7）半步顺序输出波形要指出的是两个其它信号以这样的顺序产生INH1和INH2。通过跳过在八步顺序中的交替状态就可以得到全步驱动方式，碰巧步进时钟脉冲绕过变换器中三位计数器的第一级。因此产生的顺序不受这个计数器中的最后有效位的影响。当选择全步方式工作时，HALF/FULL输入端为低电平，产生的顺序由变换器的随机状态决定。如在选择了全步方式时变换器是在奇数状态，我们就

22、会得到如图所示的两相全步顺序。娄变换器是在偶数状态时，通过选择全步工作方式，就能得到一相全步方式。对两相顺序的状态输出波形（如图（8）所示）图（8） 两相顺序状态输出波形正交驱动（一相导通）的顺序和输出波形（如图（9）所示）图（9）正交驱动的顺序和输出波形 在半步和一相全步方式产生两个其它信号INH1和INH2。这两个信号是禁止信号，被耦合到L298的使能端输入端并且当一个都连续通电流。通过或门功能产生INH1和INH2，A+B=INH1，C+D=INH2。 与变换器相连的另外两个信号是RESET输入端和HOME输出端。RESET是一个异步复位端，它使变换器框图恢复到初态1，ABCD=0101

23、。HOME是集电极开路输出端，这个信号用于带有机械复信传感器的输出与门。 最后还有一个ENABLE的输入端与输出逻辑方框图相连。在这个输入端上的低电平使INH1，INH2，A，B，C，和D为低电平。当系统被复位时用来阻止电机驱动。3.5 负载电流的调节 负载电流控制的某些形式实质上是为了获得良好的速度和转矩特性。有多种方式可以做到这一点-两种电压之间的电流切换，脉冲变化率调制斩波，脉宽调制斩波。L297以两种PWM斩波的形式完成负载电流控制，对一个双极电机的每一相或一个单极电机每对绕组之一斩波。在一个单极电机中，A和B绕组不会一起通电流，所以它们可以共用一个斩波器，对C和D应用也是同样的。每一

24、个斩波器都由一个比较器，一个触发累和一个外部检测电阻组成。在芯片上公共的振荡器把斩波器的比率脉冲送给两个斩波器。在一个斩波器中触发器来自振荡器的各瞬息万变脉冲置位，启动输出并允许负载电流增加。由于负载电流增加，检测电阻Rs两端的电压增加，当这个电压达到Vref时，触发器被复位，使输出截止，直至振荡器的下一个脉冲到达。因此在这个电路中触发器Q端的输出是一个恒定比率的PWM位号，Vref决定负载电流的峰值。3.6 相位斩波和禁止斩波 斩波器既对相线（A，B，C，D）起作用也对禁止线INH2和INH2起作用。命名为控制的输入端决禁止斩波被用于单极电机，但对双极电机可以在相位斩波和禁止斩波之间进行选择

25、。3.7步进电机驱动芯片L298 L298芯片是一种高压，大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器，圆筒形线圈，直流电动机和步进电动机。具有两抑制输入来使器件不受输入信号的影响。每桥的三极管的射极是连接在一起的，相应的外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。L298芯片是具有15个引出脚的多瓦数直插式（Multiwatt）封装的集成芯片，其外部引出脚图和机械尺寸如图所示。 L298外形如图（10）所示 图（10）电机驱动芯片L298 L298内部原理方框如图（11）图（11）L298内部原理图3.8步进电机的基本

26、原理步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在

27、比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。3.9步进电机的基本参数l 电机固有步距角： 它表示控

28、制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8（表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。l 步进电机的相数： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没

29、有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。l 保持转矩（HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N。m的步进电机。l DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反

30、应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。步进电机的一些特点：l 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。l 步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。l 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相

31、电流减小，从而导致力矩下降。l 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。3.10关于驱动器的细分原理及一些相关说明 在国外，对于步进系统，主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。 但在国内，广大用户对“细分”还不是特别了解，有的只是认为，细分是为了提高精度，其

32、实不然，细分主要是改善电机的运行性能，现说明如下：步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为3A，如果使用常规驱动器（如常用的恒流斩波方式）驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3A或从3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有0.3A而不是3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的振动和噪音，因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的

33、技术要求和工艺要求，成本亦会较高。注意，国内有一些驱动器采用“平滑”来取代细分，有的亦称为细分，但这不是真正的细分，在使用中一定要分清两者的本质不同：“平滑”并不精确控制电机的相电流，只是把电流的变化率变缓一些，所以“平滑”并不产生微步，而细分的微步是可以用来精确定位的。电机的相电流被平滑后，会引起电机力矩的下降，而细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。本系统硬件电原理图见附录一第四章 系统软件设计4.1 程序流程图4.2程序清单（见附录三）第五章 系统的组装5.1整机结构图及工艺说明整机的硬件设计部分很巧妙,由单片机最小系统板、4*4键盘、步进电机驱动板和液晶显示构成，可

34、见其性价比很高。在制板工艺上，我们并不是想大多数选手用实验板搭起一个硬件电路，我们专门学习了腐蚀印制板的制作，使整体电路简约且性能稳定。在做机械加工部分时，我们用车床加工了定滑轮和绕线轮，定滑轮和绕线轮的高精确度减小了误差，同时，我们采用的是定滑轮和轴承套用设计，减小了摩擦力，同时也减小了误差。在整套装置的整体设计时，我们没有采用繁冗的开发板，而是用的单片机的最小系统板，这是我们的控制装置十分便携，同时，键盘和木盒子的嵌入式连接也很有特色。整机结构图原理图及硬件设计PCB版见附录一第六章 系统的调试6.1电路的调试方案编好程序，连接了个部分硬件电路，我们进入了调试阶段。本系统主要由AT89S52作为主控芯片，所以我们采用