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自由擺平板控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2013-07-23 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:文章給出了一個(gè)基于的平板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建,系統(tǒng)以STC12C5A16S2型為控制核心,經(jīng)MMA7455、直接數(shù)字式頻率合成器()、混合式42BYGH4417及必要的外圍驅(qū)動(dòng)電路,實(shí)現(xiàn)平板隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn),平板上的8枚硬幣隨擺桿擺動(dòng)不滑落,平板上的激光筆在15s內(nèi)照射到指定的中心線位置。
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0 引言
現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制理論的飛速發(fā)展,能夠使得人們?cè)O(shè)計(jì)高精度的控制系統(tǒng),基于的平板控制系統(tǒng)就是這些技術(shù)和理論的應(yīng)用實(shí)例之一。
本文所討論的自由擺平板控制系統(tǒng)如圖1所示,該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能:(1)控制電機(jī)使平板隨著擺桿的擺動(dòng)(3~5周)而旋轉(zhuǎn),擺桿擺一個(gè)周期,平板旋轉(zhuǎn)一周(360°),偏差絕對(duì)值小于45°。(2)在平板上粘貼一張打印紙,在平板中心穩(wěn)定疊放8枚1元硬幣,用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度θ(θ在45°~60°間),調(diào)整平板角度,啟動(dòng)后放開(kāi)擺桿讓其自由擺動(dòng)。在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中,硬幣在擺桿的5個(gè)擺動(dòng)周期中不從平板上滑落,并保持疊放狀態(tài)。(3)在平板上固定一激光筆,光斑照射在距擺桿150cm距離處垂直放置的靶子上。擺桿垂直靜止且平板處于水平時(shí),調(diào)節(jié)靶子高度,使光斑照射在靶紙的某一條線上,標(biāo)識(shí)此線為中心線。用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度θ(θ在30°~60°間),啟動(dòng)后,系統(tǒng)應(yīng)在15s內(nèi)控制平板盡量使激光筆照射在中心線上(偏差絕對(duì)值1cm),完成時(shí)以LED指示。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/159311.htm

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1 系統(tǒng)方案選擇與論證
1.1 電機(jī)模塊的選擇與論證
電機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)用于控制的不可缺少部分。電機(jī)的選擇不但要有快速的反應(yīng)還要有準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以配合整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。
方案一:采用普通直流電機(jī)。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)整范圍廣;過(guò)載能力強(qiáng),能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn);能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。
方案二:采用。步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)就是能快速啟動(dòng)和停止,而且在程序上控制相對(duì)容易,如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值,就能使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)。另一個(gè)顯著特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)換精度高,正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。
方案三:采用金屬齒輪微型舵機(jī),舵機(jī)具有體積小、輸出力矩大、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),但不能簡(jiǎn)單完成轉(zhuǎn)動(dòng)360°的要求。
綜合以上,選擇方案二。
1.2 控制器系統(tǒng)的選擇與論證
控制器系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心,控制著數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送,控制器的性能好壞決定了整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性??刂破饕筮\(yùn)算速度較快,數(shù)據(jù)傳輸接口豐富易用。
方案一:采用STC12C5A16S2作為控制核心。51價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單、軟件編程自由度大,可用編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制,但其運(yùn)算速度較低,增大了硬件電路設(shè)計(jì)與控制過(guò)程的復(fù)雜度。
方案二:采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能,規(guī)模大、密度高。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求不高,F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn),并且由于其集成度高,使其成本偏高,同時(shí)其芯片引腳較多,實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜,加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。
綜合以上,選擇方案一。
1.3 傳感器的選擇與論證
傳感器能進(jìn)行平板的角度檢測(cè),是一種被測(cè)量參數(shù)能按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器是與被測(cè)對(duì)象直接有關(guān)聯(lián)的部分,其性能的優(yōu)劣直接影響著檢測(cè)系統(tǒng)的精度,所以傳感器的正確選擇十分關(guān)鍵。
方案一:采用無(wú)觸點(diǎn)磁敏電位器,利用磁敏元件非接觸地感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的測(cè)量。但缺點(diǎn)是其頻響特性差、截止頻率低、精度低,不適用于機(jī)械安裝,電機(jī)的振動(dòng)也影響其準(zhǔn)確性。
方案二:采用加速度計(jì),通過(guò)加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn),輸出值g,與平衡位置比較,可換算成水平傾角,讀取數(shù)據(jù)簡(jiǎn)便,傳感器體積較小,也易于安裝在系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)量。
綜合以上,選擇方案二。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示,此系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng),它由自由擺系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。

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