摆锤运动控制系统

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1、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

2、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NoYes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

3、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

4、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

5、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

6、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，

7、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

8、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