悬挂运动控制系统

悬挂运动控制系统

作者：李岩沈志张海宁

赛前辅导及文稿整理辅导教师：尹仕

摘要：本系统采用SPCE061A单片机作为控制系统的核心，通过光电编码盘实现对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正。在寻迹过程中，采用无线数传通讯的反馈方式替代了有线连接的反馈方式，避免了线缆牵引带来的控制误差。系统采用点阵液晶和触摸控制屏实现了友善方便的人机交互界面。

Abstract:This system adopts the SPCE061A as the kernel of the control system. The system measures the position of the suspender through the photoelectric encoder and the position is been modified by the local feedback. During the seeking mark process, it makes use of the wireless data transmission feedback instead of the lineate feedback to avoid the system control error which brought by the line. The system uses a LCD and a touch screen realizes a friendly and conveniently HMI (Human Machine Interface).

一、方案论证与比较

1．系统基本方案

本系统主要由主控制模块、电机驱动模块、检测反馈环节和悬挂模块四部分组成，实现了局部闭环的悬挂运动控制系统。系统框图如图1所示。

图1．系统总体框图

2．各模块方案选择与论证

(1) 位置测量方案的选择

方案一：采用位移传感器实现对悬挂物的定位。受光电鼠标原理的启发，可采用位移传感器，获取悬挂物的坐标偏移量，得到当前位置X、Y坐标。此方案可以通过直接购买鼠标成品作为悬挂物，从鼠标接口取得当前位置量，定位精度高。但是它测量的相对坐标，并非绝对，一旦掉帧，系统就无法校正；另一方面市场上的鼠标多为USB接口，USB数据传输协议较为复杂，限于比赛时间限制，实现较为困难。

方案二：采用步进电机实现对悬挂物的定位。由于步进电机可对旋转角度实现精确控制，因此可得到悬挂线的精确角位移，从而可以计算出线位移，进而可

以计算得到悬挂物的位置，实现悬挂物定位。常用的两相四线步进电机和两相六线步进电机等，转动一步精度可达到0.9°，线位移误差可以达到毫米级。但由于题目对悬挂物重量有一定要求，则需要步进电机转矩较大。而步进电机转矩越大，其在停止时的锁死电流就越大，因此采用步进电机对电源功耗要求很高。另外当步进电机运转频率过高时，会出现失步等现象，影响控制精度。

方案三：采用直流电机结合光电编码盘实现对悬挂物的定位。此方案是将光电脉冲信号转化为角位移量，是工业控制中的常用方法。编码盘转轴与直流电机转轴同轴相连，通过安装在码盘两侧的透射式红外对管测得电机转过的角位移。光电编码盘示意图如图2所示。直流电机相对步进电机成本低廉，容易采购，电机驱动电路简单。相比之下步进电机需配套使用相应的时序脉冲产生电路，如常用的L297芯片等，这不仅增加控制系统的成本，也使硬件相对复杂。因此采用此方案简便易行，成本低廉。

基于以上分析，选择直流电机结合光电编码盘的定位方案。

(2) 任意轨迹探测方案的选择

方案一：采用CCD/CMOS光电成像传感器，通过图像识别得到悬挂物行走轨迹。实地拍摄坐标纸图像，由单片机处理后分析找出黑线延伸方向，控制悬挂物体沿黑线前进。但此方案实现难度较大，短期内无法完成。

方案二：采用反射式红外传感器阵列，通过多个红外头的探测信号得到悬挂物行走轨迹。由于黑色物体和白色物体的反射系数不同，从而实现对黑白物体的分辨。将8个红外对管组成一个环，围绕在画笔周围，调整各传感器之间的间距，可以探测出黑线任意延伸方向。可满足题目的精度要求。传感器阵列示意图如图3所示。

基于以上分析，选择方案二。

图2. 光电编码盘示意图

(3) 控制策略的选择

方案一：开环控制系统。通过对电机输出量的测量来实现距离量的测量。因开环控制不具有修正由于扰动而出现的的悬挂模块实际走过的路程与计算输出量的偏差，故抗干扰能力较差。

方案二：局部闭环控制系统。在通过测算光电编码盘的光电信号计算电机输出量的同时，在线上加入反馈修正子模块。在外壁不导电的漆包线上，每隔一定固定距离，刮掉一小段油漆露出导电芯，通过对导电芯的探测达到测量实际路程值的目的，构成一个局部闭环控制系统。

显而易见，局部闭环控制系统对系统精度有很大程度提高，故我们选择方案二。

(4) 控制核心与悬挂模块通信方式的选择

方案一：采用有线传输方式，通过较长的线缆，直接将探测信号传回控制核心，进行数据处理，作出运行控制决策。

方案二：采用无线数传方式，通过无线模块，将整个系统分为探测部分和控制部分两个模块，将采集信号首先送到探测控制模块，然后传回主控制器，作出运行决策。

使用有线模块时，较多线缆会更多地导致悬挂物体运行误差，考虑悬挂模块在运行过程中的控制精度问题，我们最终选择无线数传方式。

二、系统硬件设计及相关分析计算

1．直流伺服控制系统的设计与实现

（1）含有局部反馈的直流伺服控制系统

本设计采用SPCE061A内置的两路PWM输出实现了直流伺服控制系统的PWM控制。系统原理框图如图4所示。

图4. 直流伺服控制系统

（2）电动机传动系统

本系统采用带有减速箱的直流电动机，电机额定工作电压12V ，减速箱的减

速比为301

，输出力矩大于2400（g ·cm ），带轮的平均直径为12mm ，故悬线牵

引力min F 拉大于4000g 。题目要求悬挂物重量大于100g ，因此足以满足系统要求，并能使系统具有很大的加速度，增强了灵活性。 （3）电动机驱动

为求硬件电路简化，电机驱动没有自行设计经典的H 型桥式电路，而是采用专用电机驱动芯片L298的两路四个功率输出实现。电路工作过程：PWM 输出接C ，当从MCU 输出低电平到D ，电动机正转；当从MCU 输出高电平到D ，电动机反转；其他情况，电动机停转。 2．光电探测模块设计与实现

在黑线寻迹和光电编码盘检测中分别使用了反射式和透射式光电传感器。 ① 利用反射式光电传感器检测黑线的电路如图5(c)所示，其示意图如图5(a)所示。电路工作过程如下：当探测到黑线时，红外光电二极管U1发射出的光被反射回来的强度很弱，光敏三极管无法导通，所以A 点此时为高电平，通过带施密特功能的反相器74HC14，MCU 收到的信号是低电平。当探测到白色底板时，红外光电二极管U1发射的光被反射回来的强度很强，光敏三极管导通，所以A 点此时为低电平，通过74HC14，MCU 收到的信号是高电平。