吊架运动控制软件设计.doc

西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告题目：吊架运动控制软件设计 系 别 电子信息系 专 业 电气工程及其自动化 班 级 B100307 姓 名 张涛 学 号 B10030734 导 师 郑伟旗 2013年 12 月 20 日1.1课题背景吊架和旋转机械结构装置是x光机房的常用设备，借助这些电动机械，放射科的医生可以很方便的对患者的各个身体部位和体位进行拍照，配合轨道系统，x光设备可以在更大的范围方便地进行移动。 1.2课题意义 数字放射摄影系统球管吊架，包括移动导轨、固定导轨、吊架和吊架横梁、数字放射摄影球管吊架结构简单、安装方便，由于在吊架横梁上安装电机对移动导轨的运动进行控制，因此无需手动推移导轨，各控制电机可独立运动，也可按指令要求联动运动，操作方便，大大减轻了义务人员的工作强度。 1.3国内外相关研究情况本课题主要应用X射线管吊架具有五维电动功能，实现了全方位的自动控制，通过上位机操控吊架的动作，可以点动，亦可以按预设运行路径动作。完成电机位置检测、电机启停及速度控制。方向控制限位保护程序，编写限位保护及与上位机通讯软件。1.3.1 方向控制技术 控制电机方向的用方向电平信号DIR。此端为高电平时，电机一个运动方向，此端低电平时，电机转向另一个方向，电机转向必须在电机启停后进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲钱。1.3.2 速度控制技术通过单片机改变脉冲信号的占空比(PWM原理)来实现直流电机增减速。具体设计为利用对L293D芯片使能端的高低电平控制来完成电机调速。在控制正反转时先反复将使能信号给50ms高电平,50ms低电平。使电机以中等速度匀速转动。在每按下一次加速键时将高电平时间增加10ms,改变占空比来调节速度。减速正好反过来。每按下一次减速键,高电平时间减少10ms,从而达到电机减速的目的。1.3. 3 位置检测采用光栅编码器作为位移检测装置 ，直接获取机床工作台的位移信息。此信 息经过前置处理后得到相位差的两路位移脉冲信号,其频率与工作位移速度成正比。位移脉冲被送入可逆计数器进行计数；计数器中的当前计数值表示工作台的实际位置。系统中采用具有细分功能的驱动器驱动步进电机动,以获得与检测环节反馈的位移脉冲相对应的步距角,使工作台位移具有所需的辨率,实现高精度闭环控制。系统中位置控制器的作用是根据位置给定值与反馈值之差,按预先设计的数字化控制规律控制整个系统的运行保证 ，作台位移严格跟随指令值变化。其中,被控对象由D/F转换（Z变换）环节、步进电机 传 动 机 构 等 组 成 此 处 将 分驱动器和步进电机作为一个环节来处理是考虑到步进电机及驱动装置是机电体化子系统，两者不截然分开,因此在系统的动态结构图中只出现一个方块(简称步进电机),其输入为指令脉冲,输出为电机转角角。2.1课题的主要研究内容（1）电机的启停；（2）方向控制（正、反）（3）速度控制（4）位置检测2.2课题采用的设计方案 X射线管吊架具有五维电动功能，通过电机的启停.方向控制.速度控制.位置检测.限位保护.通讯 。实现了全方位的自动控制，通过上位机操控吊架的动作，可以点动，亦可以按预设运行路径动作。完成电机位置检测、电机启停及速度控制程序，编写限位保护及与上位机通讯软件。设计方案如图一所示。从机A从机B从机C从机D从机E主控机 图一 设计方案图1.3.1启.停控制技术电机驱动器需要控制器提供启停信号（高电平电机启动，低电平停止）、正反转信号（高低电平控制运动方向）。当GATE=0时，为软件启停控制，GATE信号经反相后变为高电平，是“或”门输出恒为高，这样打开了“与”门，TRO的状态直接控制“与”门的输出。当通过指令将TRO置1时，控制开关接通，计数器开始计数；当把TRO清0时，开关断开，计数器停止计数。 当GATE=1时，为软件和硬件结合控制的启停方式，这时计数脉冲的接通和断开决定于TRO和TNTO的“与”的关系，当TRO=1且TNTO引脚为高电平时控制开关接通，开始计数。因此，当软件TRO置1后就可以利用单片机的定时器/计数器对INTO引脚的脉冲宽度进行测量。1.3.2 方向控制技术控制电机方向的用方向电平信号DIR。此端为高电平时，电机一个运动方向，此端低电平时，电机转向另一个方向，电机转向必须在电机启停后进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲钱。当给DIR=1时，电机正向运动。当给DIR=0时，电机反向运动。1.3.2 速度控制技术工作台的驱动元件选用旋转电动机，而电动机的转角、转速及转向由输入的电脉冲信号的数量、频率以及电动机绕组通电顺序来控制，所以电动机的转动实际上是由单片机的输出信号所决定。同时由于负载和惯性的作用，步进电动机还可能存在启动时失步、停止时前冲的现象，故为了保证定位精度，步进电动机的运行速度都需要有一个加速恒速减速停止的要求，以使其运行平稳、准确。 用单片机接口线直接去控制电机各相驱动电路通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字角度的转换转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。整个系统以单片机为核心，设计出硬件系统以其中的几个口控制驱动电路，由于步进电机工作时，电机绕组内的电流值一般都能达到数安培，而控制电机绕组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号，电压一般比较低，为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰，通常在驱动电源的设计时都要设计电压隔离接口，以便把数字信号和模拟信号隔离开.所以将光电隔离电路接在驱动电路和单片机出口之间。 通过单片机改变脉冲信号的占空比(PWM原理)来实现直流电机增减速。具体设计为利用对L293D芯片使能端的高低电平控制来完成电机调速。在控制正反转时先反复将使能信号给50ms高电平,50ms低电平。使电机以中等速度匀速转动。在每按下一次加速键时将高电平时间增加10ms,改变占空比来调节速度。减速正好反过来。每按下一次减速键,高电平时间减少10ms,从而达到电机减速的目的。1.3. 3 位置检测当机器工作时所产生的振动信号通过传感器、积分放大电路、信号滤波、A/D采集后进入PC机，对采样信号作FFT变换，从而画出频谱图，通过观察振幅最大处的频率就可以观察振动物体运行情况。 此系统硬件包括数据采集模块、A/D转换模块、信号调理及通信模块、电源电路、复位电路。电涡流传感器输出的信号一般在4-20mA左右，经过信号调理放大电路后，输出到A/D转换电路，由A/D完成模拟信号到数字信号的转换，再由A/D将转换后的信号输入到C8051F000单片机，由此单片机和PC通信，实现数据的采集。 1.3.3.2系统硬件设计系统硬件主要包括前端信号高频滤波、低频积分放大电路和A/D数据采集。在本系统中，高频滤波和低频积分在一个电路板上实现，A/D转换器完成信号模拟量到数字量的转变。 这是一个电源的高频滤波电路。如图1所示，C1是一个2200uF的大电容（低频滤波电容），C2是一个只有0.01uF的小电容（高频滤波电容）。电容C2的作用了是为了补偿大电容C1在高频时的不足，在电容C1上并上一个小电容C2。由于小电容的容量小，在制造时可以克服电感特性，所以小电容C2几乎不存在电感。当在高频时，小电容C2的容抗已经很小，这样高频的干扰电流很容易通过C2滤波到地，而大电容C1由于感抗大而处于开路状态，没有滤波作用，即不工作。这就是为什么在C1上并一个小的C2的原因了。当频率较低时，小电容因其容抗大相当于开路而不工作。此时主要是C在工作，起滤波作用。要知道对于2200uF的电容是相当大的滤波电容了，滤波电容越大对滤波效果就越好。由于电容具有隔直的作用，那这个滤波电路的作用就是从直流交流中（即含有各种频率）混合电压中滤掉交流电压，输出直流电压。 图3 低频放大电路的系统组成框图 图4 OTL 单电源互补对称功率放大电器 图5 OCL 双电源互补对称功率放大电器 图6 图6 乙类功率放大电路1.3.3.3振动信号的采集及调理振动参数测量时，在可用频率范围内尽量选用灵敏度高的，同时考虑环境、安装及传感器的自重对振动的影响等因素。不接触的电涡流式位移传感器可以直接感受振动位移信号，它安装在轴承座上，测出的是它与主轴表面的距离变化。从而得出主轴与轴承座之间的相对振动，为了得到主轴的绝对振动值1，必须引入轴承座的绝对振动值进行矫正。 1.3.3.4单电源交流信号放大电路 为了保证运放输入端电阻对称，使运放的内容单元电路具有合适的静态工作点，在运放输入端一定要加一个直流电位，可以利用稳压芯片LM385提供。这样运放的输入就是直流电位与输入信号的叠加。单电源交流信号放大电路可以用MAX492的两级放大来完成。图2、3所示为第一级放大电路与第二级放大电路。 2.3 滤波器的选用 滤波器主要作用是抗干扰，一般振动信号频率范围为10Hz-10kHz2，为减小通频带外的信号对测量结果的影响，防止出现频率干扰，采用美信公司的MAX7408椭圆滤波器芯片构成10kHz高通滤波器的硬件用RC滤波器，它能很好的防止频率干扰。 2.4 A/D转换 ADS7408转换器采用逐次逼近式工作原理，COMS工艺制造转换速度快，功耗低，其最大功耗为100mW，采用28引脚0.3英寸PDIP封装，两列管脚间距为0.3英寸，比一般DIP28封装窄一倍；ADS7408采用5V电源供电，单通道输入，模拟输入电压的范围为10V采样速率为100kHz；芯片内部含有采样保持、电压基准和时钟等电路，可以极大的简化用户电路设计和硬件开销，并可提高系统的稳定性。小尺寸和高采样频率等特点非常适用于本文所设计的系统中。 信号转换是在5