电子设计竞赛培训-控制类

1、电子竞赛辅导（控制类）电子竞赛辅导（控制类）重庆科技学院重庆科技学院李正中李正中2013年年7月月17日日皖西学院 信息工程学院微机控制系统结构微机控制系统结构典型微机控制系统结构框图皖西学院 信息工程学院历届大赛控制类题目历届大赛控制类题目 水温控制系统（水温控制系统（1997年年C题）题） 自动往返电动小汽车（自动往返电动小汽车（2001年年C题）题） 简易智能电动车（简易智能电动车（2003年年E题）题） 液体点滴速度监控装置（液体点滴速度监控装置（2003年年F题）题） 悬挂运动控制系统（悬挂运动控制系统（2005年年E题）题） 电动车跷跷板（电动车跷跷板（2007年年F题本科组）题本

2、科组） 声音引导系统（声音引导系统（2009年年B题）题） 智能小车（智能小车（2011年年C题）题）皖西学院 信息工程学院控制系统设计的能力需要控制系统设计的能力需要（1）系统控制方案和算法设计）系统控制方案和算法设计（2）微控制器及其外围电路模块制作和编程）微控制器及其外围电路模块制作和编程（3）传感器电路模块制作和编程）传感器电路模块制作和编程（4）电机控制电路模块制作和编程）电机控制电路模块制作和编程（5）电源电路模块制作）电源电路模块制作（6）机械传动机构制作）机械传动机构制作皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制小直流小直流电电机具有体机具有

3、体积积小、小、调调速速简单简单等等优优点，故常用点，故常用于小于小车车的的动动力装置。力装置。小直流小直流电电机的控制机的控制内内容：容：（1）速度控制）速度控制（2）方向控制）方向控制皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制（1）小直流电机的速度控制）小直流电机的速度控制直流电机转速直流电机转速n n的表达式为：的表达式为：其中：其中：U电枢端电压；电枢端电压；I电枢电流；电枢电流；R电枢电路总电阻；电枢电路总电阻；每极磁通量；每极磁通量；K电动机结构参数。电动机结构参数。则电机转速控制方法可采取则电机转速控制方法可采取电枢电压控制法电枢电压控制法，即励

4、磁恒定不，即励磁恒定不变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。UsUsTtttUstU12101o如何控制如何控制电压电压？PWM（Pulse Width Modulation ）脉）脉宽调宽调制制皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制PWM原理原理 当晶体管当晶体管V的基极输入高电的基极输入高电平时，平时，V导通，直流电机电枢绕导通，直流电机电枢绕组两端有电压组两端有电压Us，t1秒后，基极秒后，基极输入变为低电平，输入变为低电平，V截止，电机截止，电机电枢两端电压为电枢两端电压为0；t2秒后，基秒后，基极输入重

5、新变为高电平，极输入重新变为高电平，V的动的动作重复前面的过程。作重复前面的过程。 电机电枢两端的电压平均值电机电枢两端的电压平均值Uo为：为： 皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制PWM原理原理电机电枢两端的电压平均值电机电枢两端的电压平均值Uo为：为： 称为占空比，表示在一个周期称为占空比，表示在一个周期T里，晶体管导通的时间与周期的比里，晶体管导通的时间与周期的比值。值。 的变化范围为的变化范围为0,1。当电源电。当电源电压压Us不变时，电枢端的平均电压不变时，电枢端的平均电压Uo取决于取决于的大小，的大小，改变改变的值就可以的值就可以改变端电压

6、的平均值，从而进行调改变端电压的平均值，从而进行调速，速，这就是这就是PWM调速原理。调速原理。 如何改变如何改变的值？常用的一种方的值？常用的一种方法是定频调宽法。法是定频调宽法。即使周期即使周期T保持不保持不变，同时改变变，同时改变t1和和t2的大小的大小。皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制生成生成PWM波的方法波的方法延时程序延时程序专用专用PWM波生成器波生成器带带PWM模块的单片机模块的单片机单片机的定时器单片机的定时器STC12C60S2 STC12C2052 皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制

7、定定时时中中断断法生成法生成PWM波波设设51单单片机晶振片机晶振12MHz，利用，利用P2.0口口发发出周期出周期为为10ms，占空比，占空比为为50%的的PWM波信波信号号#include reg51.hsbit pwm=P20;unsigned char count=0;void main()TMOD=0 x01; /定定时时器器0方式方式1TH0=0 xfc;TL0=0 x18; /定定时时1msET0=1;EA=1;TR0=1;while(1);void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 xfc; TL0=0 x18; count+; if(cou

8、nt5)pwm=1; else if (count10)pwm=0; else count=0;pwm=1; 思考题：若需要占空比可调，思考题：若需要占空比可调，程序应如何修改？程序应如何修改？皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制（2）小直流电机的方向控制）小直流电机的方向控制H桥电路桥电路 方向方向=1： PWM=1时时，Y1=1；V1和和V4导导通通 PWM=0时时，Y1=0； V1和和V4截至截至V2和和V3一直截至一直截至皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制（2）小直流电机的方向控制）小直流电机的方向控

9、制H桥电路桥电路 方向方向=0： PWM=1时时，Y2=1；V2和和V3导导通通 PWM=0时时，Y2=0； V2和和V3截至截至V1和和V4一直截至一直截至皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制可逆可逆PWM控制控制设设51单单片机晶振片机晶振12MHz，通，通过过H桥电桥电路生成可逆路生成可逆PWM波，波，P2.0发发出周期出周期为为10ms，占空比，占空比为为50%的的PWM波，波，P2.1控制方向。控制方向。#include reg51.hsbit pwm=P20;sbit direct=P21;sbit key=P10; /由由该该引脚引脚电电

10、平判平判断断正反正反转转unsigned char count=0;void main()TMOD=0 x01; /定定时时器器0方式方式1TH0=0 xfc;TL0=0 x18; /定定时时1msET0=1;EA=1;TR0=1;while(1)scan();void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 xfc; TL0=0 x18; count+; if(count5)pwm=1; else if (countB光源在左侧，小车左转皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制寻光算法设计寻光算法设计 情况二： AB光源在右

11、侧，小车右转车头安放两路光敏电阻采样电路，并用遮光板隔开。两路电压采样值送AD转换器进行转换。根据转换结果控制小车运行方向。皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制寻光算法设计寻光算法设计 情况三： A=B若A,B大于阀值X，则光源在车正前方，小车直行若A,B小于阀值X，则光源在车正后方，小车左转/右转/后退车头安放两路光敏电阻采样电路，并用遮光板隔开。两路电压采样值送AD转换器进行转换。根据转换结果控制小车运行方向。皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制寻光算法设计寻光算法设计 说明：|A-B|Z，表示光源在车的侧

12、方，若，表示光源在车的侧方，若AB，则在左侧；反之，则在右侧。，则在左侧；反之，则在右侧。皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制（4）智能小车设计实例）智能小车设计实例其它功能其它功能 功能：测速、金属探测、声光报警等 速度速度/ /行程：行程：方法一：反射式光电传感器高（低）电平个数/4=车轮转过的圈数圈数*车轮周长=行程行程/时间=速度皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制（4）智能小车设计实例）智能小车设计实例其它功能其它功能 功能：测速、金属探测、声光报警等 速度速度/ /行程：行程：方法二：霍尔感器传感器

13、对磁铁极性有要求皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制（4）智能小车设计实例）智能小车设计实例其它功能其它功能 功能：声控、测速、金属探测、声光报警等 金属探测：金属探测：黑色线接单片机接近开关接近开关皖西学院 信息工程学院控制专题（一）：直流电机控制控制专题（一）：直流电机控制（5）智能小车设计总结）智能小车设计总结 电机选择：对于位置精度要求不高（厘米级）的小车，采用直流电机驱动。传感器最好采用模块，减少设计周期，提高系统稳定性。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制机理：机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲

14、信号步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线转换成线 位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一 个角度，带动机械移动一小段距离。个角度，带动机械移动一小段距离。特点：特点：(1)给一个脉冲，转一个步距角。给一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向改变脉冲顺序，改变转动方向分类：分类：反应式反应式步距角小步距角小永磁式永磁式转矩大转矩大混合式混合式结合上述两者优点结合上述两者优点皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控

15、制如下：如下：ABCIAIBIC 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。转子有成一相。转子有四个齿。四个齿。定子定子转子转子皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 给定子绕组通电时，转子给定子绕组通电时，转子齿偏离定子齿一个角度。由齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定

16、子齿对齐位当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而置时，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。机旋转的根本原因。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制相、拍、齿距角、步距角的概念相、拍、齿距角、步距角的概念“相相”绕组的个数绕组的个数 “齿距角齿距角” 转子相邻两齿的夹角转子相邻两齿的夹角“拍拍”绕组的通电状态。如：三拍表示一个周期共有绕组的通电状态。如：三拍表示一个周期共有3种通种通 电状态，六拍表示一个

17、周期有电状态，六拍表示一个周期有6种通电状态，每个周种通电状态，每个周 期步进电机转动一个齿距角。期步进电机转动一个齿距角。 “步距角步距角” 转子每拍转动的角度转子每拍转动的角度 步距角步距角360/(NZ) N：步进电机的拍数：步进电机的拍数 Z：转子的齿数。：转子的齿数。 结论：结论：皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制步进电动机的工作方式步进电动机的工作方式CABBCA3412 A A相绕组通电，相绕组通电，B B、C C 相相不通电。由于在磁场作用下，不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种

18、情况下，小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：转子必然转到左图所示位置：1 1、3 3齿与齿与A A、A A极对齐。极对齐。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制步进电动机的工作方式步进电动机的工作方式同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C C 、C 磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。CABBCA34121C342CABBA皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进

19、电机控制步进电动机的工作方式步进电动机的工作方式这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。所以称为三相单三拍工作方式。 按按AB C A 的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过过30( (步距角步距角) )，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3(3拍拍) )转过转过90( (一个齿距角一个齿距角) )。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）

20、：步进电机控制步进电动机的工作方式步进电动机的工作方式 按按ABAB BCBC CACA的顺序给三相绕组轮流通电。的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电每拍有两相绕组同时通电。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制步进电动机的工作方式步进电动机的工作方式AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 ( (步距角步距角) )，一一个通电循环周期个通电循

21、环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制步进电动机的工作方式步进电动机的工作方式 按按AAB B BC C CA的顺序给三相的顺序给三相绕组轮流通电。绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制这种方式可以获得更精确的控制特性。特性。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。 A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，

22、B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15 ，到达左图到达左图所示位置。所示位置。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐, ,又转又转过过15 。3412CABBCA B、C相同时通电，相同时通电，C 、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15 。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制步进电动机的工作方式步进电动机的工作方式小小结结：单拍实现简单，性能较差双拍转

23、矩较大，带负载能力较强单双拍步距角较小，控制精度较高皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制两相步进电机两相步进电机+88.8IN15IN27ENA6OUT12OUT23ENB11OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SENSB15GND8VS4VCC9U1L298HALF/FULL19CW/CCW17CLOCK18HOME3RESET20A4B6C7D9INH15INH28ENABLE10SYNC1CONTROL11OSC16VREF15SENS114SENS213VCC12GND2U2L297R10R47R20R47D1UF4004D

24、2UF4004D3UF4004D4UF4004D5UF4004D6UF4004D7UF4004D8UF4004+36V+5VU2(CLOCK)启/停SW-SPDT四拍/八拍SW-SPDT正/反SW-SPDT2a2b1a1b1000010000100001单拍通电方式：皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制2a2b1a1b1100011000111001两相步进电机两相步进电机双拍通电方式：皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制两相步进电机两相步进电机2a2b1a100110010011001001000100+88

25、.8IN15IN27ENA6OUT12OUT23ENB11OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SENSB15GND8VS4VCC9U1L298HALF/FULL19CW/CCW17CLOCK18HOME3RESET20A4B6C7D9INH15INH28ENABLE10SYNC1CONTROL11OSC16VREF15SENS114SENS213VCC12GND2U2L297R10R47R20R47D1UF4004D2UF4004D3UF4004D4UF4004D5UF4004D6UF4004D7UF4004D8UF4004+36V+5VU2(CLOCK)启/停SW-SPD

26、T四拍/八拍SW-SPDT正/反SW-SPDT单-双拍通电方式：皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制两相步进电机两相步进电机2a2b1a100110010011001001000100单-双拍通电方式：皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制步进电动机的驱动方式步进电动机的驱动方式皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制步进电动机的驱动方式步进电动机的驱动方式void main() TMOD=0 x01; TH0=0 x3c; TL0=0 xb0;/定定时时0.05s EA=1

27、; ET0=1; EX0=1; TR0=1; while(1);void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 x3c; TL0=0 xb0; count+; if(count=10) count=0; P1=code1i; if(+i3)i=0; char count=0,i=0;unsigned char code14=0 x01,0 x02,0 x04,0 x08;unsigned char code24=0 x03,0 x06,0 x0c,0 x09;unsigned char code38=0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0

28、 x0c,0 x08,0 x09;P1.0 a+P1.1 b+P1.2 a-P1.3 b-皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制步进电动机的驱动方式步进电动机的驱动方式void main() TMOD=0 x01; TH0=0 x3c; TL0=0 xb0;/定定时时0.05s EA=1; ET0=1; EX0=1; TR0=1; while(1);void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 x3c; TL0=0 xb0; count+; if(count=10) count=0; P1=code1i; if(-imi

29、n)X-; if(+i3)i=0; 皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制赛题分析：赛题分析：20032003年年任务任务 设计并制作一个液体点滴速设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置。度监测与控制装置。1 1、滴速可控、滴速可控2 2、储液瓶液面超低报警、储液瓶液面超低报警C1100nFC222uFC3100nFC422uFC2(1)C4(1)C5100nFC6100nFD11N4001D21N4001D31N4001D41N4001D51N4001D61N4001D71N4001D81N4001A+B+A-B-A+B+IN15IN27ENA6OU

30、T12OUT23ENB11OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SENSB15GND8VS4VCC9U1L298+88.8A-B-皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制赛题分析：赛题分析：20032003年年传感器选择：红外对管传感器选择：红外对管控制策略：储液瓶高度、滴速夹松紧度控制策略：储液瓶高度、滴速夹松紧度皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制赛题分析：赛题分析：20072007年年通过小车的移动使跷跷板水平通过小车的移动使跷跷板水平皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专

31、题（二）：步进电机控制赛题分析：赛题分析：20072007年年传感器选择：倾角传感器传感器选择：倾角传感器输出：0.5V4.5V对应：-90度+90度Vout输出至AD，经模数转换后决定小车的运动方向。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制赛题分析：赛题分析：20052005年年控制方块到达指定坐标点控制方块到达指定坐标点皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制赛题分析：赛题分析：20052005年年传感器选择：光电传感器传感器选择：光电传感器NoImage（1）方块沿Y轴方向移动，当3、4检测到黑线，纵轴坐标+/-

32、1（2）方块沿X轴方向移动，当1、2检测到黑线，横轴坐标+/-1（3）方块处于某坐标点皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制赛题分析：赛题分析：20082008年安徽省年安徽省控制一支笔在白纸上写字。控制一支笔在白纸上写字。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制赛题分析：赛题分析：20082008年安徽省年安徽省控制策略控制策略笔移动到b点，笔下落；从b移动到c；笔抬起，移动到a；笔下落，移动到g；移动到e；笔抬起，移动到g；笔下落，移动到f；皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电

33、机控制赛题分析：赛题分析：20082008年安徽省年安徽省控制算法控制算法插补法插补法给定曲线基点坐标，求得曲线中点坐标的计算方给定曲线基点坐标，求得曲线中点坐标的计算方 法。法。 插补形式：插补形式： 直线插补；二次曲线插补（圆弧、抛物线、双曲线）直线插补；二次曲线插补（圆弧、抛物线、双曲线） 折线逼近（逐点比较法插补）：折线逼近（逐点比较法插补）： 根据插补计算出的中间点、产生脉冲信号驱动根据插补计算出的中间点、产生脉冲信号驱动x、y方向上的方向上的步进电机，带动绘图笔绘出图形。步进电机，带动绘图笔绘出图形。皖西学院 信息工程学院控制专题（二）：步进电机控制控制专题（二）：步进电机控制赛题分析：赛题分析：20082008年安徽省年安徽省控制算法控制算法插补法插补法x方向步数：方向步数：Nx(xe-x0)/ x y方向步数：方向步数：Ny(ye-y0)/ y x和和 y是是x和和y轴步进电轴步进电机每转过一个步距角所产机每转过一个步距角所产生的在生的在x轴或轴或y轴上的水平轴上的水平位移，称为步长。位移，称为