运动控制实训报告.docx
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运动控制实训报告
实训报告
目录
项目一1
1.1项目名称1
1.2项目内容及要求1
1.3题目分析及设计思路1
1.4方案设计说明1
1.5单元设计说明2
1.5.1NE555占空比可调电路2
1.5.2带保护的H桥驱动电路3
1.6完整电路原理分析4
1.7制作、调试情况5
1.8实训成果5
项目二6
2.1项目名称6
2.2项目内容及要求6
2.3题目分析及设计思路6
2.4方案设计说明6
2.5完整电路原理分析7
2.5.1整体电路图7
2.5.2程序流程图8
2.5.3程序8
2.6制作、调试情况11
2.7实训成果11
项目三12
3.1项目名称12
3.2项目内容及要求12
3.3题目分析及设计思路12
3.4方案设计说明13
3.5完整电路原理分析13
3.5.1红外管安装示意图13
3.5.2总体电路图14
3.5.3程序流程图14
3.5.4程序14
3.6制作、调试情况16
3.7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0——5V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,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),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。
图1.1、电动机调速系统框图
1.5单元设计说明
1.5.1NE555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+RV1+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:
NE555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.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A—>B—>
—>
—>A;当电机要反转时,给四条信号线通电的顺序为A—>
—>
—>B—>A。
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方案,系统框图如下图2.1所示。
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
2.5.3程序
#include
sfrAUXR=0x8e;
bitstate_flag;//电机运行状态标志
bitdirec_flag;//定义正反转标志位
unsignedcharcodeF_Rotation[4]={0xf1,0xf2,0xf4,0xf8};//正转表格
unsignedcharcodeB_Rotation[4]={0xf8,0xf4,0xf2,0xf1};//反转表格
/******************************************************************/
/*延时函数*/
/******************************************************************/
voidDelay10ms()//@11.0592MHz
{
unsignedchari,j;
i=18;
j=235;
do
{
while(--j);
}while(--i);
}
voidDelay(unsignedinti)//延时
{
while(--i);
}
/******************************************************************/
/*主函数*/
/******************************************************************/
voidmain()
{
unsignedchari;
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)
{
if(!
direc_flag)
{
for(i=0;i<4;i++)//4相
{
P0=F_Rotation[i];//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;i<4;i++)//4相
{
P0=B_Rotation[i];//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*/
/******************************************************************/
voidSTA_Key(void)interrupt0
{
EA=0;
state_flag=0;
direc_flag=0;
P0=0xf0;
Delay10ms();//消抖
EA=1;
}
voidt0int()interrupt1//T0中断,正启动
{
EA=0;
if(!
state_flag)
{
state_flag=1;
direc_flag=0;
}
Delay10ms();//消抖
EA=1;
}
voidDIR_Key(void)interrupt2
{
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,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。
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
3.5.4程序
#include
sbitduan=P2^6;//申明段选
sbitwei=P2^7;//申明位选
unsignedcharcount=0;
unsignedcharcodenum[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0~9
voiddelay_ms(unsignedcharx)//延迟函数
{
unsignedchari,j;
for(i=x;i>0;i--)
for(j=110;j>0;j--);
}
voidIntInit(void)
{
IT0=1;//setINT0inttype(1:
Falling0:
Lowlevel)
EX0=1;//enableINT0interrupt
IT1=1;//setINT1inttype(1:
Falling0:
Lowlevel)
EX1=1;//enableINT1interrupt
}
voidDisplay(void)
{
unsignedchara,b;
a=count/10;
b=count%10;
duan=1;
P0=num[a];
duan=0;
P0=0xff;//消影
wei=1;
P0=0xfe;
wei=0;
delay_ms(5);
duan=1;
P0=num[b];
duan=0;
P0=0xff;//消影
wei=1;
P0=0xfd;
wei=0;
delay_ms(5);
}
voidmain()
{IntInit();
EA=1;
while
(1)
{Display();}
}
voidexint0()interrupt0
{
if(count>0)
{count--;}
}
voidexint1()interrupt2
{
if(count<99)
{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,信号被过滤掉了,几乎不计数。
考虑到信号易受干扰,且微分电路带负载能力差,最后选用基于倍频电路的设计,很好的解决了干扰问题。
当然,如果采用软件解码的方法,只要信号干扰不是很大,也可以实现。
2、红外对管输出的方波信号直接给微分电路后,发现该路输出的脉冲没有,经过反向后给微分电路后,输出脉冲波形很好。
最后确定红外对管输出的波形含很多高次谐波,而且带负载能力差,经过小电容滤波,再电压跟随后,该路输出信号很好了,计数没有漏计、多计和不计。
3.7实训成果
根据项目要求,设计了红外计数装置,编码器精度不高,毕竟是手工制作。
动手测试了基于二极管单向导通特性的方案的可行性,了解了电路特性。
在改进的方案中,实现了编码器正转时计数值增加,编码器反转时计数值减小的功能。
最大计数值为99,到达最大后不会再加,同样的,见到0后不会再减。
心得体会
此次实训,我收获很多很多,很多是学过了忘了的,有些是模模糊糊的。
总结这四个星期的实训,我主要的收获有以下几点:
1、基础知识的巩固。
比如NE555脉冲电路、H桥式驱动电路
2、灵活运用三极管。
比如非门,实验室没有,可以用三极管反向实现,与门,两个二极管加一个电阻就可以构成二输入与门
3、NPN型三极管与PNP型三极管的不同与运用。
在此次实训中就碰到了这个问题,就是两种存在的不同导致之前的测试失败了,发现问题后,改进电路,成功完成了项目。
4、单片机的编程技巧。
单片机编程技巧有很多,在此次实训,学会了一种技巧,将定时器扩展为外部中断,还学会了片上PWM和ADC的编程。
5、学习的方法、习惯和领悟。
这一点,我觉得是最重要的。
看到项目要求,我就会不由自主的想方设法完成它,罗列各种方案,软件仿真,这是好习惯。
当发现设计的和以前做的有相似之处,就会不由自主的联系在以前,从中的到启发,在正反转加减计数器的设计中深有体会。
倍频电路和正反转计数脉冲联系在一起,改进完成了这项任务。
多查阅资料,不管以什么途径获得,借鉴别人的思路,启发自己的思维。
因此,在多浏览资料的同时,要多思考,我觉得多思考可以将别人的设计精髓变成自己的财富,一定要多思考。
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