二维度运动控制系统_本科毕业论文

大学本科生毕业论文二维度运动控制系统院（系）学院专业学号学生姓名指导教师年6月大学本科生毕业论文摘要工业机器人机械臂的二维度运动经常为运动轴的轴向和径向旋转自由度的结合。为实现在500MM141MM的平面上运动，本设计采用一种基于常见的高速嵌入式单片机AVR单片机作为主系统，应用滚珠丝杠作为直线运动的传动机构，开发设计一套系统来实现工业机器人机械臂的二维度运动。并系统地论述了应用单片机开发步进电动机与直流伺服电机二维运动控制器的方法。首先，论文介绍了本文的选题背景、主要研究内容和研究意义。其次，采用模块化的设计思想进行二维度运动控制系统的硬件电路设计。以ATMEGA16为核心，把控制系统分为控制器模块、电机驱动及电机运行、电源模块等，并对各模块进行了详细的介绍和分析。控制模块主要进行各种信息、数据的处理，协调系统中各功能模块完成预定的任务；驱动模块主要负责驱动步进电机和直流伺服电机，实现机械手的动作以及定位；电源模块负责整个二维度运动控制系统的电源供给。设计出电路原理图后根据原理图进行PCB的设计。最后，进行软件程序设计。根据系统的功能要求设计了整个二维度运动控制系统的工作流程并向读者列举了部分程序代码。关键词ATMEGA16单片机，步进电机，直流伺服电机，控制系统大学本科生毕业论文ABSTRACTTHETWODIMENSIONSMOVEMENTOFTHEINDUSTRIALROBOTMANIPULATORISALWAYSTHECOMBINATIONOFTHEDEGREESOFFREEDOMOFTHEAXIALOFMOVEMENTAXISANDTHERADIALROTATIONTOCOMPLYTHEMOVEMENTONTHE500MM141MMPLANE,ADOPTINGACOMMONHIGHSPEEDEMBEDDEDSCMTHEAVRSCMASTHEMAINSYSTEM,USINGTHEBALLSCREWASTHETRANSMISSIONMECHANISMOFTHELINEARMOVEMENT,THISDESIGNDEVELOPSANDDEVISESASETOFSYSTEMTOACHIEVETHETWODIMENSIONSMOVEMENTOFTHEINDUSTRIALROBOTMANIPULATORITALSOSYSTEMATICALLYEXPOUNDSTHEMETHODOFUSINGTHESCMTOEXPLOITATWODIMENSIONSMOVEMENTCONTROLLERBASEDONTHESTEPPERMOTORANDDCSERVOMOTORFIRSTLY,THISPAPERINTRODUCESITSBACKGROUND,MAINCONTENTSANDSIGNIFICANCESECONDLY,THISISSUEADOPTSTHEMODULARDESIGNCONCEPTTODESIGNTHEHARDWARECIRCUITOFTHETWODIMENSIONMOTIONCONTROLSYSTEMWITHTHEATMEGA16ASCORE,THISISSUEDIVIDESTHECONTROLSYSTEMINTOTHECONTROLLERMODULE,THEMOTORDRIVINGMODULE,THEMOTORRUNNINGMODULE,ANDTHEPOWERSUPPLYMODULE,ANDITMAKESDETAILEDDESCRIPTIONANDANALYSISOFEVERYMODULETHECONTROLMODULEMAINLYDEALSWITHEVERYKINDOFDATAANDINFORMATION,ANDCOORDINATESEACHMODULEOFTHESYSTEMTOACHIEVETHESCHEDULEDTASKSTHEDRIVINGMODULEMAINLYDRIVETHESTEPMOTORANDTHESERVOMOTORINORDERTOACHIEVETHELOCATIONOFFTHEROBOTMANIPULATORTHEPOWERSUPPLYMODULESUPPLIESPOWERTOTHEWHOLETWODIMENSIONMOTIONCONTROLSYSTEMINADDITIONTHISPAPERALSODEVISESTHECIRCUITSCHEMATICANDPLANSTHEPCBMAPACCORDINGTOTHECIRCUITSCHEMATICFINALLY,THISPAPERDEVISESTHESOFTWAREPROGRAMSMEANWHILEITDESIGNSTHE大学本科生毕业论文WHOLEWORKFLOWOFTHETWODIMENSIONMOTIONCONTROLSYSTEMACCORDINGTOTHESYSTEMSFUNCTIONANDENUMERATESPARTIALCODEKEYWORDSATMEGA16SCM,THESTEPMOTOR,THESERVOMOTOR,THECONTROLSYSTEM大学本科生毕业论文目录第1章绪论111课题背景及意义112工业机器人及机械手综述213运动控制系统的现状314本课题的主要研究内容6第2章系统总体设计721运动控制的基本概念722课题技术指标723系统总体设计724机械设计8241总体机械结构设计8242机械手臂的设计9243理论坐标计算10244滚珠丝杠的介绍及选型1025电机的选型14251步进电机的选型14252直流伺服电机的选型1626本章小结18第3章硬件电路设计1931微处理器的最小系统电路19311ATMEGA16单片机的简介19312基于ATMEGA16的控制模块2032步进电机驱动电路的设计、对比与选择21321定位精度的理论计算21大学本科生毕业论文322采用以L298N为主芯片的人工设计的步进电机驱动电路22323采用步进电机驱动器MD540驱动步进电机26324步进电机驱动模块的选择2933直流伺服电机驱动电路的设计、对比与选择29331基于BTS7960的驱动电路29333直流伺服电机驱动电路的选择3434矩阵键盘的设计34435显示模块LCD显示屏160236351LCD1602简介36352LCD1602的硬件电路3936PCB的生成3937本章小结39第4章软件设计4141初始化模块设计4242系统整体流程图4343电机控制模块44432步进电机控制45423直流伺服电机控制4644键盘输入模块4845LCD显示模块4946程序编译49461WINAVR介绍50462程序的编译5147本章小结51第5章系统调试5251PWM技术简介52大学本科生毕业论文52系统调试5353本章小结54结论55参考文献57致谢59附录11、PCB板12、电路图2大学本科生毕业论文1第1章绪论11课题背景及意义机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统，它综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，对人类生活应用领域的影响越来越大。宋健院士在国际自动控制联合会第14届大会报告中指出“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化”1。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人,是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动2。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展，是最先产业化的机器人技术它是综合了计算机,控制论,机构学,信息和传感技术,人工智能,仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调,重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现了试验,引进到自主开发的转变,促进了我国制造业,勘探业等行业的发展随着我国改革开放的逐渐深入,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人的相关技术与研究进展,显得十分重要。大学本科生毕业论文2工业机械手是近代自动控制领域和工业机器人技术中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程3。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。同时工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。其特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。12工业机器人及机械手综述机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。它并不是在简单意义上代替人工劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备4。从广义上讲，在现代化的许多工业生产、生活、灾难救援、甚至战争中，工业机器人都有极其重要的价值和极大的应用领域。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用于按固定程序抓取、搬运物体或操作工具的自动操作装置。它可以代替人的繁重劳动以实现生产自动化和机械化，能在有害环境下操作以保证人的安全，因而广泛应用于机械制造、大学本科生毕业论文3冶金、电子、轻工和原子能等部门。在工业部门中应用的机械手称为工业机械手。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识5其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用6。13运动控制系统的现状当今的技术发展日新月异，高新技术的进步也促进了运动控制系统的发展，总的来说，运动控制系统将进一步向网络化、数字化、智能化方向纵深发展。随着劳动生产率和产品质量的不断提高，工厂生产自动化对运动控制提出了更高的要求，比如更快的响应速度、更高的控制精度、更高的可靠性等。近几年来，运动控制己经逐步形成了一个新的国际研究热点。研究具有开放式结构的高性能运动控制器是当前运动控制领域的一个重要发展方向，越来越得到世界各国学者的广泛关注。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用DSP的计算大学本科生毕业论文4能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用网络技术、FPGA技术等，使系统的结构更加合理和开放，通过网络连接方式减少系统的连线，提高系统的实用性和可靠性。运动控制器产品今后的发展基本上沿着上述两个方向走，但是专业化、个性化的运动控制器将是一个新的发展方向。从90年开始，DSP技术和FPGA芯片技术在美国得到高速发展，出现了一批高性能低价格的DSP，这些DSP的重要特性是它们的兼容性好而且浮点运算速度快，使多轴运动控制系统能够浓缩在一块PCISA/PCI控制卡上，而且每个伺服轴的更新速率可以达到20MS，而FPGA芯片技术则使通过软件来更新硬件成为可能，如果将DSP和FPGA与PC相结合，则可充分利用现有的操作环境和资源，进一步降低系统的成本，增加系统的通用性。尽管如此由于近年来高性能的单片机不断推出，再加上用单片机开发产品的技术非常成熟，开发工具丰富且功能强大，开发成本相对低廉，这使传统的以单片机作为基础的运动控制系统仍然具有很强的生命力7。这里向读者简介两款现代工业生产、紧急救援工作中，代替人类进行繁重或危险生产活动的机器人。2008年底，安川公司推出世界第一台7轴弧焊专用机器人MOTOMANVA1400。VA1400在传统工业机器人第一俯仰臂上增加了1个回转关节，具有冗余的自由度，使机器人本体的机动性和可达性提升到了前所未有的高度。其主要技术参数为，最大动作范围S关节旋转170；L关节下手臂148、70；U关节上臂150、175；R关节手腕旋转150；B关节手腕180、45；T关节手腕回转200；最大动作速度S关节220/S；L关节200/S；U关节220/S；大学本科生毕业论文5R关节410/S；B关节410/S；T关节610/S。图11MOTOMANVA1400美国IROBOT公司研制了PACKBOT系列反狙击机器人。图12PACKBOT反狙击机器人PACKBOT反狙击机器人是根据部分反恐专家提议,在美国军方授意下,由IROBOT公司为驻伊美军量身打造的。从外形来看,该机器人体形小巧,长087米,宽051米,高018米,重仅18千克,在行军中士兵可以把它大学本科生毕业论文6轻松地背在背上。美国军方已准备将其纳入美军新型单兵标准装备“模块化轻型携行装备MOLLE”中。14本课题的主要研究内容论文主要对二维度运动控制系统进行设计，主要研究内容为（1）根据控制要求选择合适的电机，了解其运动特性；（2）通过数据手册深入学习电机驱动方式和控制方式，并为为电机设计、选用合适的驱动器；（3）选择主控模块，进行运动控制系统的硬件电路设计；（4）实现一个两轴机械臂运动控制。本文各章节安排如下第1章“绪论”，概述了课题研究背景及意义，阐明了运动控制系统的现状，并介绍了论文的主要内容。第2章“系统整体设计”，本章先简介运动控制系统，然后重点介绍二维度运动控制系统机械部分的设计与选型，电机的选型及其负载的计算、匹配等。第3章“硬件电路设计”，本章给出以AVR单片机为核心的控制系统硬件电路，主要介绍二维度运动控制系统控制电路的设计，并详细介绍各个电路模块，如键盘模块，显示模块等。重点介绍了步进电机、直流伺服电机驱动的电路设计与各驱动电路的对比和选择，为达到目标控制精度打下基础，并给出系统电路图和PCB图。第4章“软件设计”，在硬件的基础上，主要介绍二维度运动控制系统软件设计的总体思路与软件实现的流程图。第5章“系统调试”，介绍了PWM的原理和系统调试相关问题，并给出了本课题的研究总结，指出有待改进之处，并提出后续工作的研究展望。大学本科生毕业论文7第2章系统总体设计21运动控制的基本概念“运动控制”是近十年来国际上流行的一种新的技术，通常是指在复杂的条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动7。按照国际运动控制工程师协会的定义“运动控制是指应用一个可控制的力的作用实现机电系统有效运动的技术，这个机电系统可以是以电气、液压、气动或其他形式驱动的。”22课题技术指标本二维度运动控制系统主要技术指标1、X向定位精度01MM；2、Y向定位精度02MM（即转角定位精度约01）；3、X向运动范围500MM；4、Y向运动范围141MM（即转角转动范围为45）。23系统总体设计本课题所设计的二维度运动控制系统主要包括主控制模块、键盘输入模块、显示模块、步进电机控制模块、直流伺服电机控制模块和机械执行模块。整体系统的功能为操作者使用键盘向系统输入符合输入规则的机械臂运动坐标，按下开始工作键后，系统开始工作，直流伺服电机带动丝杠转动，使机械臂先沿丝杠轴向运动到X向目标位置，然后步进电机带动机械臂转动到转角目标位置，此时机械臂的臂尖在Y向运动到相应的距离，至此，一次运动结束。若在运动过程中需要停止本次运动，则按下系统复位按钮。主控制模块是以ATMEGA16单片机为主的最小系统，其分别控制显示模块输出显示运动坐标，READY、ERROR信号，步进电机和直流伺服电机大学本科生毕业论文8转动。其对应的系统整体框图如下键盘输入模块ATMEGA16步进电机驱动电路伺服电机驱动模块X向伺服电机减速机转角步进电机显示模块X向控制部分转角控制部分机械臂横向运动机械臂径向运动图21系统框图24机械设计241总体机械结构设计整个二维度运动控制系统采用常见的高速嵌入式单片机AVR系列单片机作为主系统，应用滚珠丝杠作为直线传动机构。该运动系统的结构示意图如下图所示大学本科生毕业论文9图22总体机械结构示意图如图所示，丝杠将直流伺服电动机的转动转化为机械臂在丝杠上的平动，从而使得直流伺服电机驱动整个机械臂在丝杠上做轴向的运动。242机械手臂的设计对于机械手臂，臂长200MM，由于手臂重量不是很大，负载重量几乎可以忽略不计，所以设计的机械臂并前端负载质量按01KG。因此，机械臂如下作设计（1）由于所需电机提供的力矩很小，故小型步进电机设计在机械臂的关节处，带动机械臂进行转角运动，运动范围在045；（2）不设置配重。示意图如下图23系统机械臂左视图大学本科生毕业论文10243理论坐标计算设定前臂长度200MM，由于角在045度之间变化，故Y向范围为0141MM；轴向运动范围就是机械臂在丝杠上的运动范围，即0500MM。请见下图图示图24理论坐标计算图若外部输入设备输入轴向坐标A、转角，表示机械臂在丝杠上（这里表示为X轴）应横向运动至距离起点O处A个单位的位置；机械臂前臂应转动的角度为，则机械臂在Y向的位置为距离起点O处个单位SIN20的位置，即机械臂臂尖的坐标为（A，）。SIN20244滚珠丝杠的介绍及选型1、滚珠丝杠的原理整个二维度运动控制系统应用滚珠丝杠作为直线传动机构。如图24所示，滚珠丝杠一般是由丝杠1、螺母2、滚珠3及滚珠循环返回装置4等四个部分的组成。大学本科生毕业论文11图25滚珠丝杠副结构示意图滚珠丝杠副的工作原理如下当螺母2（或丝杠1）转动时，在丝杠与螺母间布置的滚珠3依次沿螺纹滚道滚动，同时滚珠3促使丝杠1（或螺母2）做直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出，在螺母上设有滚珠循环返回装置（反向器）4，构成一个滚珠循环通道。借助于这个返回装置，可以使滚珠沿滚道面运动后，经通道自动地返回到其工作的入口处，从而使滚珠能在螺纹滚道上继续不断地参与工作9。2、滚珠丝杠的特点（1）传动效率高对于滑动丝杠在定期润滑的条件下，丝杠与螺母间的滑动摩擦系数在006015之间，摩擦阻力大，传动效率低。而滚珠丝杠副的摩擦系数经实验测得，一般为0002500035。显然，其传动摩擦阻力大大减小，传动效率得到很大提高。这样，滚珠丝杠副相对于滑动丝杠副来说，就能以较小的动力推动较大的载荷，而功率消耗只有滑动丝杠副的1/41/2，不仅能大大减轻操纵者的劳动强度，而且对机械小型化、启动后的颤动和滞后时间的减少，以及节省能源等方面，都具有重要意义。（2）同步性能好由于滚珠丝杠副的滚动摩擦特性，摩擦阻力几乎与运动速度无关，静摩擦力矩极小，启动摩擦力矩与运动摩擦力矩接近相等，因此，运转启动时无大学本科生毕业论文12颤动，低速下运转无爬行。这不但缩短了启动的时间，消除了滑动丝杠副中存在的滑移现象，而且大大提高了传动的灵敏度和准确度，具有持续平稳运行的特点。（3）传动的可逆性滚珠丝杠副不仅正传动效率（简称正效率）高，而且逆传动效率（简称逆效率）也几乎同样高达95。它既可把回转运动变成直线运动（简称正运动），又可以把直线运动变成回转运动（简称逆运动）。因此，与滑动丝杠副相比，突出的不同点是传动具有可逆性。滚珠丝杠副的逆效率高，一方面固然带来了逆传动的好处，但另一方面却不如滑动丝杠副那样具有自锁能力。在某些机构中，特别是垂直升降机构中使用滚珠丝杠副时，必须设置防逆转装置10。（4）传动精度高滚珠丝杠副的传动精度主要是指其进给精度和轴向定位精度。经过淬硬和精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副，本身就具有较高的进给精度。高精度的滚珠螺旋副导程累积误差可达5M/300MM以上。当采用预紧螺母进行预紧时，可完全消除滚珠丝杠副的轴向间隙。如果预紧力适当（即为最佳预紧力时），在不增加驱动力矩和基本不降低传动效率的前提下，可提高传动系统的刚度和定位精度；在带有反馈系统的滚珠丝杠副中，通过机电补偿伺服系统，能获得较高的重复定位精度。由于滚珠丝杠副的摩擦小，工作时本身几乎没有温度变化，因此不但进给速度稳定，而且尺寸也非常稳定，这就是滚珠丝杠副具有很高定位精度和重复定位精度的重要原因11。3、滚珠丝杠的选型步进电机是安装在机械臂上的，型号为42BYG012步进电机的质量约为024KG，而机械臂的质量为01KG，加之其他一些质量较轻的机械零件，如螺丝等，丝杠上的负载质量范围为034KG04KG（不包括驱动器）。在丝杠的选择上，本设计选择台湾HIWIN（上银）公司生产的滚珠丝大学本科生毕业论文13杠。HIWIN滚珠丝杠在使用上具有很多的有点，举凡高效率、可逆性、零背隙、高刚性，导程精度高及其它多项优点，与传统艾克姆螺杆（ACME）相比较，如下图所示，滚珠丝杠在螺杆与螺帽间，加入钢珠。将传统螺杆的滑动摩擦传动以钢珠滚动运动取代，以大大降低摩擦损耗。有助于维持高效率和高精度。图26滚珠螺杆与传统艾克姆螺杆比较下面介绍下HIWIN滚珠丝杠的几个主要特性和优点。（1）高效率及可逆性由于滚珠螺杆的螺杆轴及螺冒均是点接触之滚动运动，所以其效率可高达90以上。（2）零背隙及高刚性（3）高导程精度（4）静音（5）短交期滚珠丝杠型号的确定由于上述一些滚珠丝杠特点的介绍和台湾HIWIN公司可定制特定规格的滚珠丝杠的优点，故本设计滚珠丝杠选用上银公司的型号为1R125B2PSDW，所表示的滚珠丝杠的技术指标为大学本科生毕业论文14牙长500MM，总长650MM，任意300MM内的导程误差0027MM，导程5MM，牙口数单牙口，公称外径12MM，旋转方向右旋，珠卷数B2，预压型式压缩型，螺帽外型方型，螺帽型式双螺帽，循环种类回流管低于螺帽外径，选用配备自润式，中空件。25电机的选型本设计中电机的选型包括步进电机的选型和直流伺服电机的选型。251步进电机的选型1、扭矩匹配由前面所述系统机械臂左视图，机械臂质量为M01KG，长度L200MM，转角范围在045之间，取G10N/KG，可计算得所需步进电机提供的最大扭矩为MNLMGT0722501250；这个转矩T也是负载折算到步进电机轴上的等效转矩12。步进电机的最大静转矩需要满足的条件为MAXJ503MAXTJ大学本科生毕业论文15在这里取分母为05，则0142在这里对于步进电机的脉冲频率要MAXJTN求的比较宽松，故可以主要匹配负载的转动扭矩。同时，由于步进电机是安装在机械臂的关节处，因此该电机的外形和重量都不应过大，以外形小、质量小为首选，因此本设计选用外形较小、质量较轻的BYG系列混合式步进电机，其型号为42BYG012，相数为两相，额定电压12V，静态电流052A，步距角18，保持转矩0172，空载启动频率600。由此MNSPULE可看出该电机的转矩满足设计要求。2、累计误差累计误差的计算涉及到为步进电机安装减速器的减速比13，由于步进电机有两种驱动方式，一种驱动方式是人工设计驱动电路，需配备减速器；另一种驱动方式是用成品步进电机驱动器，利用其对步距角的细分，完成相应精度要求，在此不作详细讨论，在步进电机驱动设计部分会有细致讨论与对比选择。3、控制频率所选步进电机的控制频率，将在后面的步进电机驱动设计部分讨论，这里不做赘述。4、外形与质量42BYG012步进电机的外形尺寸为总长50MM、外径42MM、轴径47MM，质量为024KG。由于步进电机是安装在机械臂上，必须要求其质量和外形尽量小，此电机相比于同等类型的其他型号的电机，质量小，外形小。满足本设计中选用小型步进电机的要求。5、启动矩频特性步进电机带载很小，换算至其轴上的惯量对其启动影响不大，因此电机轴上的惯量基本满足启动矩频特性的要求。大学本科生毕业论文16因此，选择型号为42GYB012的步进电机满足系统设计的需求。252直流伺服电机的选型在选型中，为首先满足系统设计指标要求，对电机的选择着重考虑扭矩和转速的因素；其次，是考虑电机外形大小是否与本设计相配合、轴与滚珠丝杠的直径是否相合以利于连接与带动负载14。对直流伺服电机的一些额定值（包括额定功率、额定电压、额定电流等）则不做深入考虑。1、扭矩匹配在本设计中，直流伺服电机带动的机械臂在丝杠上做直线运动，对速度要求不高，故采用匀速运动即可。对于扭矩的计算采用如下公式1432NIFAT式中，驱动扭矩；TAMKGF轴向负载（，丝杠的轴向切削力，导向件FNGFAN的综合摩擦系数，移动物体重量工作台工件KG，G98）；丝杠导程MM；I进给丝杠的正效率。1N机械臂质量为01KG，步进电机质量为024KG，驱动器质量在0406KG之间，为便于计算，不妨取。KGM40丝杠的轴向切削力，综合摩擦系数，得N1；NGFA39281由142NIAT大学本科生毕业论文17且按经验，取9401N得MNTA3243250即所需的直流伺服电机所能提供的扭矩最小为0332。因此，根据系统需要的扭矩，本设计选取德国FANLHABER2342L012编码器空心杯减速电机2342L01212V120转，其主要技术参数如下堵转转矩（）；CMKG50N连续扭矩；71工作电压；V2空载转速RPM80减速后速1直径；M3出轴直径；6电机长度；40出轴长度；35总共长度；8输出功率；W17空载电流；MA5堵转电流；40减速箱型号日本定制（全金属精密行星减速箱）；减速比661；编码器光电式；输出路数AB双路输出；每圈脉冲。CPR12由此，电机的能提供的最大转矩满足系统设计的要求。同时需要注意的是，该电机若采用PWM方式驱动，可接收的PWM频率范围是080KHZ。大学本科生毕业论文182、外形与轴的匹配由前面陈述的滚珠丝杠与该直流伺服电机的外形、质量，轴长度、直径，满足设计要求与指标。直流伺服电机的轴与滚珠丝杠的轴采用销连接即可满足系统对连接刚度的要求。3、丝杠进给速度计算滚珠丝杠的导程是，设定电机匀速转速为，则机械臂在滚M5RPM60珠丝杠上的运动速度约为，从起始点运动至丝杠终点的时间约为S100S，在合理范围内。因此，选择型号为德国FANLHABER2342L012编码器空心杯减速电机2342L01212V120转，满足系统设计指标需求。26本章小结本节主要介绍了一些运动控制的基本概念，课题技术指标，阐述了系统的总体设计。同时设计了机械臂、介绍了滚珠丝杠的工作原理和特点，并根据系统的性能要求和指标选用了台湾HIWIN公司的一款滚珠丝杠。在最后，按系统的设计指标和要求选取了合适的步进电机和直流伺服电机。大学本科生毕业论文19第3章硬件电路设计31微处理器的最小系统电路控制系统的主芯片采用ATMEL公司的ATMEGA16芯片，该芯片是AVR系列的一款中档功能的芯片。性价比很高。311ATMEGA16单片机的简介1、ATMEGA16单片机的产品特性（1）高性能、低功耗的8位AVR微处理器15（2）RISC精简指令集131条指令大多数指令执行时间为单个时钟周期32个8位通用工作寄存器全静态工作工作于16MHZ时性能高达16MIPS只需两个时钟周期的硬件乘法器（3）哈佛结构，具备1MIPS/MHZ的高速运行处理能力（4）非易失性程序和数据存储器（5）JTAG接口与IEEE11491标准兼容2、ATMEGA16单片机外设特点（1）两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器16（2）一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器（3）具有独立振荡器的实时计数器RTC（4）四通道PWM（5）8路10位ADC上电复位以及可编程的掉电检测；片内经过标定的RC振荡器；片内/片外中断源；6种睡眠模式（空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、大学本科生毕业论文20掉电模式、STANDBY模、式以及扩展的STANDBY模式）3、ATMEGA16单片机的主要技术参数（1）工作电压ATMEGA16L2755VATMEGA164555V（2）速度等级08MHZATMEGA16L016MHZATMEGA16（3）I/O和封装32个可编程的I/O口40引脚PDIP封装,44引脚TQFP封装,与44引脚MLF封装。312基于ATMEGA16的控制模块下面，是本设计的控制电路部分基于ATMEGA16的控制模块。单片机的控制模块电路由单片机ATMEGA16与时钟电路、复位电路等组成。电路如下图所示PCAXTALGND伺Y大学本科生毕业论文21B01234567RSWENK8XTALPC/IOM9DGFVUMEGAUHCONTHLSRV图31单片机的控制模块电路在此控制系统中PB0PB7与显示模块相连，负责将从输入模块输入的信号显示和单片机发出的提示指令显示出来；IN1、IN2与直流伺服电机的驱动模块相连，负责控制直流伺服电机的转动；PLU、DIR、EN与步进电机驱动模块相连，负责控制步进电机的转动；K1K8与键盘矩阵相连，接收输入信号。32步进电机驱动电路的设计、对比与选择321定位精度的理论计算由于步进电机控制机械臂转动，使得臂尖在平面上Y轴方向完成平动，又由于在系统设计指标中，Y轴方向的定位精度为02MM，理论上计算臂尖在Y轴方向上平动02MM时，机械臂所转动的角度，由角即可确定大学本科生毕业论文22步进电机转动的精度，即解决上述提及的累积误差方面的问题。图32所需最小转角计算注意图中边BC200MM，这里为了使读者看清楚，才将角放大。由余弦定理知，可得，。BCA2COS06步进电机工作在两相单二拍，每从控制器输出一个控制脉冲16，步进电机带动机械臂转动的角度为。如果采用人工设计的驱动电路，需要为步进电机增加一个减速器，并且减速器的减速比约为301，采用小型的行星减速箱即可；如果采用成品步进电机驱动模块MD540为步进电机驱动，则需要该模块细分数为30左右。下面就两种不同的驱动方式作出详细对比与芯片性能分析。322采用以L298N为主芯片的人工设计的步进电机驱动电路1、L298N的基本工作原理与特点L298是ST公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。比较常见的是15脚MULTIWATT封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路17。大学本科生毕业论文23可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。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。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546V。输出电流可达25A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号18。L298N这款芯片成本低、抗干扰能力强，集成度好，已经被应用于多种步进电机驱动模块中，故此方案中，选择L298N作为驱动步进电机的主芯片。下图所示是一款以LM298为主芯片的驱动模块实物。图33LM298实物图其对应的功能逻辑图如下大学本科生毕业论文24图34L298N功能逻辑图2、芯片主要引脚用法说明5V芯片电压5V；SV12V电机电压，最大可接50V，在此设计中，接12V动力电源GND、ISENA、ISENB共地接法；OUT1OUT4输出端，接电机；ENA、ENB高电平有效，ENA、ENB分别为IN1和IN2、IN3和IN4的使能端；IN1IN4输入端，输入端电平和输出端电平是对应的。表31L298N功能表ENAIN1IN2运行状态0停止110正转101反转111刹停100停止大学本科生毕业论文25IN3，IN4的逻辑图与上表相同。由上表可知ENA为低电平时，输入电平对电机控制不起作用，当ENA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹车。3、本课题设计的驱动电路如下图所示图35L298N驱动电路图注L298N右侧的8个二极管的作用是，在电机换向和停止前，电机还在转动，电枢中产生电流，二极管用来续流的。此时，控制电机的脉冲由程序产生，步进电机的控制频率（步/S）BNF6所要求的步进电机轴的转速，；NMINR步距角，（）B设定步进电机带动机械臂从0运动到45位置，所需的时间为5秒，则步进电机轴的转速。MIN45R大学本科生毕业论文26因此，步进电机的控制频率。HZF150846又低于步进电机的空载启动频率，且在单片机所能提供的脉FSPULE冲频率范围内（016MHZ）。因此，此驱动电路在功能上满足本设计的驱动需求。脉冲通过软件编程实现。具体软件分析请见第四章。4、驱动电路优缺点分析（1）此驱动电路的优点是电路搭建比较简单易行，设计思路清晰且成本较低。（2）此驱动方式的缺点是引入了减速机323采用步进电机驱动器MD540驱动步进电机1、MD540概述MD540是以一款高性能多细分型步进电机驱动器。采用专用ASIC控制器，实时动态响应好，可靠性高，低噪声，高精度；提供12A40A范围8档电流输出，多达14种细分；适用于中、小电流应用的57及以下步进电机。其实物图如下图36MD540步进电机驱动器大学本科生毕业论文27功能特点供电电压DC12V42V；峰值电流12A40A，8档可调，分辨率04A；多达14种细分，2，4，8，16，32，64，128，256，5，10，25，50，125，250；高速光耦输入隔离；可设置的自动半流功能；过压，欠压，过流保护。小巧体积（）便于安装。371表32信号接口信号描述PUL/CWPUL/CW单脉冲输入模式时，步进脉冲输入信号，上升沿有效。双脉冲输入模式时，正转脉冲输入信号，上升沿有效。DIR/CCWDIR/CCW单脉冲输入模式时，方向控制信号。双脉冲输入模式时，反转脉冲输入信号，上升沿有效。ENABLEENABLE驱动器使能输入信号。ENABLE为高，ENABLE为低禁止驱动器，电机处于自由状态。如果不使用这个功能，这两个输入端悬空即可。表33电流设置表峰值PEAK均值RMSX14峰值电流SW1SW2SW312A086AONONON16A114AOFFONON20A143AONOFFON24A171AOFFOFFON28A200AONONOFF32A229AOFFONOFF36A257AONOFFOFF40A286AOFFOFFOFFSW4用来设置半流。OFF半流ON全流。本设计中使用半流模式。SW9用来设置输入信号脉冲模式，OFF为单脉冲输入模式，ON为双脉冲输入模式。本设计中使用单脉冲模式。大学本科生毕业论文28表34细分设置表MICROSTEPSTEPS/REVSW5SW6SW7SW82400ONONONON4800OFFONONON81600ONOFFONON163200OFFOFFONON326400ONONOFFON6412800OFFONOFFON12825600OFFOFFOFFON25651200ONOFFOFFON51000ONONONOFF102000OFFONONOFF255000ONOFFONOFF5010000OFFOFFONOFF12525000ONONOFFOFF25050000OFFONOFFOFF本设计采用32细分，SW5、SW6、SW8置ON，SW7置OFF。2、控制电路连接该驱动器的控制信号连接采用共阳极接法，如下图所示图37MD540连线图大学本科生毕业论文29其中，GND与V之间接12V电源。为达到课题设定的运动精度，采用32细分即可。若转速同样是是5S内转过45角，即机械臂的转速是，S9则单片机应提供给驱动器的脉冲频率是。HZF15069脉冲来源依旧是对软件编程。3、驱动电路优缺点分析此种驱动方式控制步进电机转动的精确度与L298N驱动相差不大，但是未引入减速器。324步进电机驱动模块的选择综合以上两种驱动方式，本着控制系统稳、准、快的设计思路，当选用L298N驱动电路时还需加入减速器。考虑系统简洁性，因此选定本设计的步进电机驱动模块为MD540步进电机驱动器。33直流伺服电机驱动电路的设计、对比与选择由于单片机的IO口输出电流有限，需要借助功放芯片对直流伺服电机进行驱动。直流伺服电机的控制采用PWM方式，其控制方法将在第四章软件设计中讨论，在此不作赘述。在本章着重讨论驱动电路的设计，下面分别就基于BTS7960和MC33886这两款芯片设计驱动电路并作出分析、对比、优选。331基于BTS7960的驱动电路1、BTS7960简介BTS7960是NOVALITHIC的一款较大大功率的8引脚功放器件，其逻辑功能图如下大学本科生毕业论文30图38BTS7960逻辑功能图该芯片对应的引脚说明请见下表表35引脚说明引脚标号符号功能1GND接地2IN输入信号，高电平有效3INH使能，低电平进入睡眠模式4、8OUT桥的功率输出5SR电压转换速率，通过接电阻使得在接地GND与电压转换SR中转化6IS当前信号采集7VS供电大学本科生毕业论文312、基于BTS7960的驱动电路此驱动电路采用两片BTS7960芯片，其控制方式为由IN1、IN2两路输入直流伺服电机的控制信号，通过改变控制信号的输入，从而控制电机的正反转及停车。OUT1、OUT2分别接电机的两个接线端子，给电机输入驱动信号。驱动电路的电路图如下图39基于BTS7960的驱动电路3、驱动电路优缺点分析（1）优点BTS7960控制方便，因此设计的驱动电路简单、易于搭建；控制电流范围046A，范围大，适应电机的电压范围广。（2）缺点一般而言，驱动器所要求的最大电流是所用电机最大电流的2倍即可。对于本设计驱动的直流伺服电机而言，控制电流范围过大，实际制作过程中，需要将四个引脚搭在一起，作为供给BTS7960的输入或输出大学本科生毕业论文32引脚，以增大电流，增加了不必要的操作，而且浪费了部分芯片功能；使用两片芯片，增加成本。332基于MC33886的驱动电路1、MC33886简介MC33886是MOTOROLA公司生产的一种半导体50AH桥驱动芯片。其结构图如下图310MC33886结构图2、MC33886芯片的真值表表36真值表输入输出D1/D2IN1IN2OUT1OUT2011010010101010000大学本科生毕业论文33011111在设计过程中通过向IN1、IN2口送出PWM波来控制电机的正转、反转。其余引脚按照官方技术文档给出的标准接法接入电路即可，在此不作赘述。3、基于MC33886的驱动电路驱动电路的电路图设计如下伺AGNDFS2IV45OUT67C8P9MKRUN图311基于MC33886的驱动电路图中，由OUT1、OUT2连接直流伺服电机的两个接线端子，由向IN1、IN2输入PWM波进而驱动直流伺服电机转动。通过设定PWM波的占空比控制直流伺服电机的转速，PWM波的形式控制直流伺服电机的正反转。在本设计中，设定恒占空比50。4、驱动电路优缺点分析大学本科生毕业论文341驱动电流范围05A,其最大电流值略大于所选用直流伺服电机堵转电流的2倍，较BTS7960而言略优；采用1片芯片，系统稳定性高。2采用PWM技术控制电机，控制精度比较精确，有利于提高整个系统的控制精度。333直流伺服电机驱动电路的选择综合以上驱动电路特点，本课题设计的二维度运动控制系统直流伺服电机的驱动器采用基于MC33886的驱动电路进行驱动。34矩阵键盘的设计4矩阵键盘模块制作得已经很成熟，这里只做简单介绍。本设计所使用的矩阵键盘的电路连接图如下图所示356789ABCDEFRESK伺大学本科生毕业论文35图312矩阵键盘4各个按键对应的功能如下数字键对应按键11；按键22；按键33；按键54；按键65；按键76；按键97；按键08；按键A9；按键D0；功能键对应按键4确认，功能是确认输入的运动坐标；按键8删除，功能是删除输入的运动坐标；按键B开始工作，功能是当操作者确认自己输入的运动坐标无误后，按下此键系统开始工作；键盘输入为固定格式，均为。例如，输入X向坐标时，若想输入100MM，则输入数字1000,，若想输入36MM，则输入数字0036；输入转角坐标时，若想输入35，则输入数字0350，若想输入355，则输入数字0355即可。其它按键无定义，不使用。有一点需要注意的是，按键在闭合和断开时，触点会存在抖动现象，需要消除抖动。消抖的方法有两种，一种是硬件方法消抖，一种是软件方法消抖。软件方法消抖将在第四章软件设计中介绍，在此不作赘述。硬件消抖电路与波形请见下图大学本科生毕业论文36图313键盘抖动现象波形和电路图在本设计中，设定键盘工作在扫描方式，扫描键盘是否有外界输入，这种工作方式简单有效，具体内容详见第四章软件设计。35显示模块LCD显示屏1602本设计需显示三种信息第一种信息是，显示输入的运动坐标。坐标分两行显示，即第一行显示输入在滚珠丝杠上（X轴）机械臂需要运动到的水平目标位置，第二行显示需要步进电机带动机械臂转动的角度。第二种信息是，当操作者用键盘把运动坐标全部输入控制系统之后，系统等待确认键按下便可正常工作时，显示模块显示READY，表示可以正常工作。第三种信息是，系统内部程序可以判断输入的坐标是否在合理范围内（合理范围即是轴向运动范围0500MM，转角范围045，且固定格式输入），若输入不合理，则显示模块显示ERROR。由于选用的是成品显示模块，考虑到LCD显示屏1602成本低廉，功能恰好满足本设计的要求，引脚少且电路连接比较方便，因此本设计采用LCD显示屏1602。351L