摆锤运动控制系统论文摘要：电动机作为最主要的动力源或运动源，在生产和生活中占有重要的地位，电动机的调速控制过去用模拟法。随着计算机的产生和发展及新型电力电子功率器的不断涌现，电动机的控制也发生了深刻的变化。模拟控制已逐渐被使用以单片机为主的确混合控制和全数字控制所取代。我们采用单片机控制步进电机，通过IO口输出具有时序的方波作为步进电机的控制信号。信号经过L298驱动步进电机使其可以带动支架摆动。通过键盘输入改变步进电机的运行状态，从而对摆锤的摆动频率进行控制，并用红外光管对摆锤的周期进行检测。在支架上固定永久磁铁，使其与作为摆锤的小磁铁产生引力作用以带动摆锤运动。显示摆锤的周期采用四位共阴极LED显示器。用蜂鸣器作声音提示。图（2）永久磁铁图（1） BCDA 步进电机支架摆锤永久磁铁图（3）图（5）开始红外光管I灭步进电机驱动起振摆锤上摆红外光管II灭No摆锤上摆 No摆锤下摆 Yes红外光管I灭 No Yes摆锤上摆红外光管III灭 No 摆锤下摆 Yes红外光管I灭 No一、 方案比较：方案一：用小的永久磁铁作为摆锤，利用永久磁铁之间的引力。如图（1）所示，使摆锤和作为控制的磁铁依次吸合，从而控制摆锤的运动。例如，当摆锤向左起振时，则通过单片机控制使控制磁铁从第0块开始，从右到左依次升高。则此时摆锤与从右到左的磁铁间的距离不同，摆锤会与其距离最近的磁铁吸合。但这种方案要求单片机比较精确地控制磁铁的运动，而且控制磁铁的上下运动是机械运动。当要求摆锤的摆动频率升高时，控制磁铁间的引力很大，阻碍了控制磁铁的上升和下降运动，从而抑制摆锤的摆动频率的升高。方案二：用小铁球作为摆锤，采用继电器组控制。如图（2）所示。在A、B、C、D四处各放上一个继电器。通过单片机控制这些继电器的开启和关闭。由于当继电器开启后，其中的磁感线圈会和小球产生引力作用，通过改变不同继电器的开启和关闭的顺序即可。改变小球的运动方向，从而达到控制摆锤小球运动的目的。但是这种方法的缺点也很明显。这种方法对小球的作用力不均匀，亦即小球的摆速不好确定，还要考虑继电器的磁感线圈反产生的感生电动势对小球的影响，会使小球的运动情况十分复杂，不利于分析和处理，也很难达到题目的要求。而且从经济上考虑，也不是一种好方法。方案三：同方案一，亦用小的永久磁铁作为摆锤。利用双相步机电机控制“L”型支架，支架上固定有一磁吸。如图（3）所示。由于磁吸与摆锤之间的引力作用，摆锤会随着支架的运动而运动。所以只要对支架进行控制从而带动摆锤的运动即可。由于步进电机可将脉冲转变为角位移和线位移，我们通过步进电机的齿轮与另一个大的齿轮相配合，再对支架进行控制。由于双相步进电机的步距为1.8度，通过此处理后，我们可以很精确地对支架的运动状态进行控制，而且也避免了摆锤的摆幅误差的问题，而且摆锤的摆动频率的控制可以在软件中轻松处理。很好地达到了题目的要求。通过比较，我们采用了方案三。二、 设计与论证（1） 电机的选择与调速性能好、调速范围宽广、调速特性平滑过载能力较强且热动和制动转矩较大的直流电机相比，由于其最大弱点就是有电流的换向问题，不能很好地达到我们的目的。而步进电机是用电脉冲信号进行控制，每加一次脉冲信号后仅转动一定角度，它可以精确地控制转动的角度。在非超载的情况下，电机的转速，停止的位置只取决于脉冲信号和频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差的特点，使得在速度、位置与控制操作变得很简单，所以我们采用步进电机。（2） 电机驱动电路的选择从步进电机的原理来看，步进电机的转子由按照串联电极排列的永磁体构成，它们决定了每步的大小。定子中含有多个绕组，产生的磁场与转子的永磁体之间产生互相作用。控制电路产生的一个脉冲序列使定子绕组的电源接通和中断，电机便产生正向或反向旋转。定子脉冲序列反向就会改变旋转方向，而由脉冲的频率控制旋转速度。要使一个步进电机旋转，必须不断地使绕组通电和断电。反之，如果一个绕组持续给予能量，则电机会停止旋转，通过保持力矩使之维持在某个角度位置上。因而它们能够以非连续的步长进行运动，产生精确的角度位置信息，它直接由电脉冲信号进行控制。所以，步进电机的驱动系统如其驱动系统框架图所示，它由需要控制电机旋转方向与转速等的控制装置、将来自控制装置的信号转换为脉冲的脉冲发生器以及对各绕组顺序分配脉冲电流的驱动电路构成。控制信号控制装置 正转反转脉冲发生器CWCCW驱动电路ABAB+ 电动机比较其驱动方式，分单极性驱动方式、双极性驱动方式恒流驱动方式等等。由于单极性驱动方式低速时转矩特性差，而高速特性非常好，我们采用双极性驱动方式，它的控制精度高，而且低速时可获得较大的转矩。双极性驱动电路大致可以分为两种，一种是采用正负双电源方式，这是在2个晶体管连接点与电源中点接步进电机的驱动绕组方式。但需双电源供应，实际应用中不常采用第二种是采用单电源方式，这是采用2组晶体管的全桥方式。经过比较，基于集成电路性能的稳定性，在步进电机的众多由集成芯片构成的驱动电路中，我们采用L297和L298N构成的驱动电路。L298N芯片可以驱动两个二相电机（如图11），也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便且价格不高，故选用L298N驱动电机。而使用L298N时，可以用L297来提供时序信号，可以节省单片机IO口的使用。（2）系统的硬件处理我们采用“L”型支架，并在支架上固定一磁吸，摆锤亦采用小磁铁，质量约在20g50g范围之内。则由同极相斥，异极相吸的原理，当磁吸与摆锤距离在一定范围内，即可使摆锤与磁吸两者的相对位置保持不变。只要控制磁吸的运动。即支架的运动就可以对摆锤的运动进行控制。为了更加精确地控制支架的运动，我们用另一有118齿的齿轮与步进电机的18齿齿轮相配合。由于步进电机的步距角为1.8度，则大齿轮每转一格，支架仅转动约0.277度，可以达到非常高的精度要求。 在摆锤系统的初始状态，使支架固定在某一离开中线的位置，使摆锤自然下垂。在硬件电路中设置四个功能键：S1：起摆按钮；S2：加速摆动按钮；S3：减速摆动的按钮；S4：停摆按钮。当按下S1时，步进电机驱动电路驱动步进电机开始工作，带动支架起摆，当支架经过摆锤所在平面时，摆锤与支架上的磁吸之间的引力作用，使摆锤随支架一起运动。当按下S2键时，如果摆锤正处于运动状态，则采用当摆锤经过最低点时作为状态的改变点。当最低点处的红外光管灭时，即按键后摆球第一次回到最低点时，摆锤开始进行加速运动。同理，按下S3键时，摆球在第一次回到最低点时，摆锤开始进行减速运动。当按下S4键时，摆锤会在一定的缓冲时间内停止运动。这是我们添加的功能。我们通过在最低点处安装一磁绕线圈，（3） 摆锤的周期检测（4） 摆锤周期的显示和声音提示由于只需显示摆锤的周期，较之与价格较高的LCD液晶显示器，我们采用功率消耗较低且操作简单的四位阴极LED显示器。由于题目只要求进行声音提示达到A、B点的时间，我们不需要采用语音芯片等复杂的电路，而只用蜂鸣器作为输出的声音提示。 三、理论分析与计算