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悬挂运动控制系统 摘要：本系统采用作为控制中心，由直流步进电机、4*4键盘构成的悬挂运动控制系统自由控制悬挂物体完成自行设定运动、画圆运动等，并能正确显示物体到达的坐标位置。 图 1.1 系统方案框图 二．方案论证与比较 2.1．核心控制模块选择 根据题目要求，控制器主要用于控制电机，并对坐标参数进行处理，控制电机移动方向。对于控制器的选择有以下两种方案。采用FPGA为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步进电机运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板采用AT89作为系统控制的方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用AT89处理输入的数据并控制电机直流电动机在高启动转矩、大转矩、低惯量的系统中经常用到。直流电机虽然便宜，但其速度不均匀，尤其是在开启或停止的时候，并且大功率三极管容易烧坏，一不小心此驱动电路容易发生短路，十分麻烦，而且直流电动机的定位性能差。步进电机的定位性能优越，控制简单控制性能好，可以和数字控制技术相结合，不需要A/D转换，直接将数字脉冲信号转化为角位移，在负载能力范围内与控制频率严格对应，并且角位移准确可控。在本中因考虑到控制画笔画图准确性和电路的复杂性，选用方案，并采用控制性能高的步进电机来控制运动物体。 显示　方案一：采用LED数码管显示器。LED 数码管亮度高，醒目，但是其电路复杂，占用资源较多，显示信息量较小。 方案二：采用汉字LCD液晶显示器。LCD有明显的优点：微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适；可以用中文LCD液晶进行菜单显示，使整个控制系统更加人性化。上面的比较分析和现有的LCD器件，系统各模块单元电路设计 为了不产生累积误差，必须保证步进电机的运行不失步。这和其运行矩频特性密切相关，如图3.2.1所示 图 3.2.1 运行转距－频率特性 可见，对步进电机的驱动信号存在一个必须避开的频率――共振频率f0。 在本系统中，使用了电机是两相步进电机，步距角为1.8°，采用两相四拍驱动方式，最小区分角为0.9°，共振频率在510Hz左右，故系统所使的用每秒脉冲数（简称PPS，Pulse Per Second）应远小于共振频率以避开共振点。 3.2.2. 电机正反转控制： 当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。 3.2.3.步进电机的特点 a．它是通过输入脉冲信号来控制的 b．电机的总转动角度由输入脉冲数决定 C．电机的转速由脉冲信号频率决定 3.2.4两相四拍工作模式时序图： 步进电机 信号输入 第一步 第二步 第三步 第四步 返回第一步 正转 IN1 0 1 1 1 返回 IN2 1 0 1 1 返回 IN3 1 1 0 1 返回 IN4 1 1 1 0 返回 反转 IN1 1 1 1 0 返回 IN2 1 1 0 1 返回 IN3 1 0 1 1 返回 IN4 0 1 1 1 返回 图3.2.4 两相四拍工作模式时序图 3.3键盘模块电路设计 3.3.1键盘电路 图3.3.1 4*4键盘电路原理图根据设计需求，本系统中使用了标准的4×4键盘，其电路原理图如图所示。图中C1～C4为4×4键盘的列信号，L1～L4为4×4键盘的行信号。在本系统中，用P～P连接键盘的列信号C4～C1；用P～P连接键盘的行信号L4～L1。 在本系统中，～为数字键，～S16为功能键，主要功能如图所示。? 图 3.2.2 4*4 矩阵键盘说明 四、系统软件设计及数学运算 ?点到点运动核心算法：假设,Y1）,’(X2,Y2)为给定平面范围上的任意两点，作辅助线（图中部分）在直角三角形⊿中?????? 在直角三角形⊿ADE中 L2= 在直角三角形⊿A’BC中 L3= 在直角三角形⊿A’DE中 L4= 　因此当悬挂物从点运动到’点时：???? 电机的收放线长度为c（当，电