电机控制设计报告最终版本

1“盟升杯”大学生电子设计大赛《电机控制》组设计报告设计题目：电机控制2目录1.引言......................................................................32.设计指标...............................................................32.1设计任务...............................................................................32.2详细指标...............................................................................43.方案论证与选择....................................................43.1坐标系选择....................................43.2控制显示模块..................................53.3电机及驱动电路................................53.4卷线工件......................................54.硬件设计................................................................64.1MCU.......................................64.2步进电机..................................74.3卷线工件设计..............................74.4小物件的选择..............................84.5输入与显示................................84.6硬件系统整体示意图........................85.软件设计..................................................................95.1程序框图...................................................................................95.2算法............................................................................................115.3电机移动....................................................................................155.4输入与显示.................................................................................1735.5即时坐标储存及连续任意坐标移动..........................185.6累计误差补正............................................196.测试与误差分析.........................................................196.1测试仪器与工具.......................................196.2测试方案与误差分析...................................197.设计总结.............................................................................231引言本次竞赛我们选择了电机控制方向。随着生产过程机械化、电气化和自动化的不断发展，控制学在各行业的应用越来越多。而电机控制更是在机械化设备中广为应用，渗透与我们生活的方方面面。本着对电机控制的兴趣，我们小组最后选定了该题，希望通过此题对电机控制有更深的理解。2设计指标2.1设计任务（1）设计一电机控制系统，驱动两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，要求该板倾斜仰角≤100度。（2）物体运动范围为80cm×100cm。物体的形状不限，质量大于100克。物体上固定有浅色画笔，运动时能在板上画出运动轨迹。（3）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,示意图如下。42.2详细指标（1）控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；（2）控制物体在80cm×100cm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；（3）控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成；（4）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)。（5）能够显示物体中画笔所在位置的坐标；3方案论证与选择3.1坐标系选择方案一：构建坐标系yx下小物件位移与yx,的函数关系，通过控制yx,,控制5小物件连续的进行位移。该方案虽作图精度大，但函数构建困难，并且难以通过控制电机转动直接控制x，y坐标，实践过程中难以对函数进行调试与修改，故不采用。方案二：设左右电机转轴到悬挂物件的绳长分别为1l,2l,在确定电机位置下，同一（1l，2l）对应的坐标点唯一。基于这一数据特点构建关于1l,2l的新坐标系，通过控制1l,2l的值采用微元法控制小物体的移动。该方案会产生一定的误差，但通过增加有效数位与添加补偿系数能使误差减小到忽略不计且能适用于各种硬件环境，同时绳长测量方便，方便使用过程中的调试与修改，故采用。3.2控制显示模块方案一：采用矩阵键盘，与数码管显示。该方案编程容易，电路简便，但显示位数有限且占用I/O口资源过多，故不采用。方案二：采用矩阵键盘，与LCD显示。该方案虽编程相对复杂，但暂用I/O资源小，切能提供足够的显示位数，故采用。3.3电机及驱动电路方案一：使用直流电机。直流电机成本低，转速快。但难以实现转速精确控制，切难以处理开始转动与停止转动时的加速度。故不采用。方案二：使用步进电机。步进电机虽成本较高，每步之间也存在加速度，但使用PWM波能非常容易的实现转速与转动时间的精确控制，同时使用相应的驱动电路，能良好的处理启动与停止所产生的加速度。故采用该方案更优。3.3卷线工件方案一：螺丝在工件中部，卷线面积更大，但螺丝容易扰乱细线的收卷，此方案虽然卷线面积大，但考虑到螺丝绞线所带来的不确定因数，故不选择；6方案二：螺丝在工件边缘，卷线面积缩小，但螺丝不会影响细线的收卷，该方案安全系数非常高，虽然卷线面积偏小但我们可以采用很细的线，故选择此方案；4硬件设计4.1MCU本设计采用ARMCortex-M3，该处理器的优势在于低功耗与高性能的结合，能快速准确的处理信号，同时该核心最多可减少12个时钟周期数，在实际应用中可减少70%中断，避免了程序编写的冗杂。74.2步进电机4.2.1步进电机的优势在方案论证中我们已经提到对于该实验，步进电机是很好的选择。一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，每输入一个脉冲信号，步进电机就转过一定的角度。这样一来步进电机就能非常准确被单片机所控制，进而我们才可以通过编程定量的控制步进电机转动设定的距离或角度，从而带动卷线工件收放线，对小物体施已精确的控制。对步进电机的控制细节将会在程序部分详细说明。4.2.2步进电机的参数介绍电机固有步距角：它表示控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，我们所用电机给出的值为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。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。4.3卷线工件设计卷线工件的设计也是本实验难点之一，以下是我们设计的两张图纸。在方案论8证中我们已经提到，对于该实验右图为更佳的方案。4.4小物体的选择对于100克以上小物件的选择，我们做了一下思考。首先，根据要求，小物件上要能固定笔，且要大于100克。100克的物体为了是防止体积过大，有限考虑的是金属。方案一：我们先就地取材，拆了一只废弃的马达，并利用其中的磁铁吸附了一些螺丝等金属以达到要求种类，并用螺帽固定一只铅笔，但因摇晃过大，且笔固定不稳，导致轨迹呈明显波动状，故不采用。方案二：用两块万用版钻洞，用螺丝固定，中间孔中插一只铅笔，四角再用螺丝稳定，万用版上可插各种元器件增加重量，但因万用版较脆，钻孔过程中大量破裂，故不采用次方案。方案三：根据可以挂的金属想到了运用锁，但较难固定笔，于是利用橡皮的可塑性将其钻孔插入较短彩色水笔，固定在锁上，锁靠外侧以保证稳定，经验证画图清晰晃动小，故采用4.5输入与显示在方案论证中，我们选择了LCD显示屏作为显示器，显示预设参数，与物体移动的及时坐标值；矩阵键盘用来输入坐标以及模式选择。该部分内容将在LCD与矩阵键盘程序部分详细介绍。4.6硬件系统整体示意图95软件设计5.1程序框图为完成指标要求，方便操作，本设计根据功能的不同划分为6个模式，分别为mode1-mode5，并由主函数进行调用，程序框图如下：主函数：Mode1点到点移动：10Mode2画心形轨迹：Mode3画圆：11Mode5输入即时坐标：125.2算法5.2.1将（x，y）坐标系转化为线长坐标系（1l，2l）在方案选择中我们已经提到，利用（1l，2l）坐标参数将大大简化算法。而且在小物体运动范围内（10080），（x，y）坐标与（1l，2l）坐标一一对应。所以我们的首要任务就是将（x，y）坐标系转化为线长坐标系（1l，2l）。如图所示：我们将（x，y）坐标转化为（1l，2l）坐标2215xy-1151）（）（L22x-95y-1152）（）（L部分程序算法如下：135.2.2点到点运动的平移法平移法是我们最先想到的方法，该方法的最大优点是便于坐标的显示。该算法下，物体先做横向平移，在做纵向平移。但该方法具有较大误差（尤其是在移动到很高位置时）所以我们更偏向于5.2.3的方法；5.2.3点到点的直接移动法相比于与5.2.2将点到点分解为横竖两个方向的运动，点到点的直接运动更为快捷也更为精确，然而点到点移动在坐标显示方面存在难点，因为点到点之间的过程中难以通过计算准确显示小物件的即时坐标。该方法的算法非常简单，我们设起始点为（x1，y1）到达点为（x2，y2），通过5.2.1的坐标转换：2215xy-1151）（）（L22x-95y-1152）（）（L我们得到对应的了l1-l2坐标参数（l1，L1），（l2，L2）。该方法为下面5.2.4,5.2.5所描述描绘轨迹算法的基础。部分程序算法如下：5.2.4画圆算法考虑到直接绘画弧线难度系数较大且难以控制，根据步进电机的特性，我们采用微元法移动小物件。将半径为为25cm的圆微分成400份等长度的线段。在如此细小的微元下，小物件运动轨迹几乎为标准圆形。14设定圆心点坐标为（4050）半径r=25；