电子设计创新训练提高第六章应用设计举例.ppt

第六章应用设计举例 6 1设计题目 2007年全国大学生电子设计竞赛 电动车跷跷板 F题 本科组 一 任务设计并制作一个电动车跷跷板 在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重 配重的位置可以在从始端开始的200mm 600mm范围内调整 调整步长不大于50mm 配重可拆卸 电动车从起始端A出发 可以自动在跷跷板上行驶 电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图6 1和图6 2所示 二 要求1 基本要求在不加配重的情况下 电动车完成以下运动 1 电动车从起始端A出发 在30秒钟内行驶到中心点C附近 2 60秒钟之内 电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态 保持平衡5秒钟 并给出明显的平衡指示 3 电动车从 2 中的平衡点出发 30秒钟内行驶到跷跷板末端B处 车头距跷跷板末端B不大于50mm 4 电动车在B点停止5秒后 1分钟内倒退回起始端A 完成整个行程 5 在整个行驶过程中 电动车始终在跷跷板上 并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间 2 发挥部分将配重固定在可调整范围内任一指定位置电动车完成以下运动 1 将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点300mm以外 90 扇形区域内某一指定位置 车头朝向跷跷板 电动车能够自动驶上跷跷板 如图6 3所示 2 电动车在跷跷板上取得平衡 给出明显的平衡指示 保持平衡5秒钟以上 3 将另一块质量为电动车质量10 20 的块状配重放置在A至C间指定的位置 电动车能够重新取得平衡 给出明显的平衡指示 保持平衡5秒钟以上 4 电动车在3分钟之内完成 1 3 全过程 5 其他 三 说明 1 跷跷板长1600mm 宽300mm 为便于携带也可将跷跷板制成折叠形式 2 跷跷板中心固定在直径不大于50mm的半圆轴上 轴两端支撑在支架上 并保证与支架圆滑接触 能灵活转动 3 测试中 使用参赛队自制的跷跷板装置 4 允许在跷跷板和地面上采取引导措施 但不得影响跷跷板面和地面平整 5 电动车 含加在车体上的其它装置 外形尺寸规定为 长 300mm 宽 200mm 6 平衡的定义为A B两端与地面的距离差d dA dB 不大于40mm 7 整个行程约为1600mm减去车长 8 测试过程中不允许人为控制电动车运动 9 基本要求 2 不能完成时 可以跳过 但不能得分 发挥部分 1 不能完成时 可以直接从 2 项开始 但是 1 项不得分 四 评分标准 6 2题目分析 关键方案论证 一 整体系统设计思想 行走部分 使用四轮或者两轮 1随动轮驱动 后者系统简单 行走轨迹控制 按题目条件 自行设置跟踪轨迹 白纸黑线 平衡检测 倾角传感器 显示器 LED或者LCD 后者可以直接使用模块 简单 核心 51单片机 电源 蓄电池组 电压取决于行走电机 二 系统框图 图6 4系统整体框图 三 系统主要部分方案论证 1 电动车车体的选择方案一 可以在车模店自己选购配件组装或自己加工制作 优点是这种方法能够制作出完全符合自己设计意图的车体 缺点是需要较多时间和高水平的加工工艺 方案二 购置成品玩具电动小汽车 缺点是不可能完全符合使用要求 需要做大量修改 根据实际情况 采用方案一 自制小车 2 电动车的动力方案选择方案一 采用普通直流电机驱动 优点是价格便宜 动力大 缺点是转速大 难于控制 同时需要另配速度检测装置 方案二 采用直流减速电机驱动 优点是转速低 动力大 缺点同方案一 也需要额外安装速度检测装置 方案三 采用双步进电机差速驱动 特点是控制精度高 灵活 在驱动力矩范围内 支持无反馈开环控制 根据分析 本题要求车子必须具备高度灵活性和精确控制 故设计采用方案三 采用双步进电机差速驱动 图6 5一种现成的底盘 履带 一款机器人履带式底盘 可以购买 但是它采用普通直流电机 配置了简易的减速齿轮 具有力量和速度的优势 但稳定性和精细动作则难于掌控 图6 6直流 直流减速 步进电机 3 电动车的倾角测量方案选择方案一 采用光电编码器 需在其轴上安装重锤才能进行倾角检测 且进行小角度测量时需要克服较大的静摩擦力 灵敏度低 同时电机振荡会使测量结果不稳定 方案二 采用倾角传感器 芬兰VTI公司生产的SCA61T是一款利用重力加速度测量倾角的集成芯片 使用方便 分辨率高 0 1度 低噪声 并且可采用数字SPI或模拟输出 方案一安装复杂且测量精度不高 方案二则刚好相反 故采用了方案二 选择集成倾角传感器 4 电动车平衡控制方案选择方案一 模糊判断 根据不同倾角检测情况进行处理和多条件复杂判断 优点是容易直观判断 缺点是容易遗漏一些情况 造成判断失误 方案二 数字PID控制 PID控制具有算法简单 适应性强 稳定性好 可靠性高等优点 通过分析比较 选择了方案二的数字PID控制 图6 7倾角传感器与光电编码器 图6 8二维线性CCD传感器 图6 9各种光电传感器 5 轨迹检测方案选择方案一 线性CCD 电荷偶合器件 摄像头寻迹 优点是检测精度高 反应速度快 缺点是信号处理比较复杂 对摄像头记录的图象进行分割和识别困难 方案二 光电传感器寻迹 优点是原理简单 操作方便 信号处理速度快 缺点是分辨率低 通过分析 方案一实现困难 方案二能够满足测量需要 选择了方案二 使用反射式光电传感器组循迹 四 任务实施过程描述 采用多路光电传感器ST178 红外反射式 对轨迹黑线进行采样 保证采集足够的信息 供电机的实时调节 以达到能在板上精确沿着轨迹行进的目的 采用倾斜传感器SCA61T对跷跷板进行实时倾角采样 保证有充足的新倾角数据供单片机处理 达到快速平衡硗硗板的效果 单片机将收集的数据进行处理后 以精确控制步进电机按照指定的任务运行 在整个行程中 单片机时刻记录步进电机前进的步数 并在要求的位置显示所处的位置 本系统需在跷跷板中心线上放置引导线 整个过程可分为以下几个阶段 以下包含发挥部分 1 查找黑线上板阶段 在板下300mm以外 90 扇形区域内任一位置查找黑线 驶上跷跷板 2 行驶阶段 在板上巡线行驶 保持车体时钟处于板子之间位置 为快速准确进入平衡区 在平衡区前认为加设一条横向黑色轨迹 符合规则要求 小车发现后即准备减速平衡 3 平衡阶段 小车驶上跷跷板后 发现板有明显的角度变化时 认定已进入平衡中心线区域 开始平衡调节 4 跷跷板加重物重新平衡阶段 当小车第一次平衡后 给跷跷板加一重物 让小车重新查找平衡点 再次平衡 5 终点倒车阶段 在小车到达跷跷板的另一端时 小车按照原来的轨迹倒车回到出发点 图6 10系统实体图1 图6 11系统实体图2 五 车体整体设计注意事项 1 车体尺寸必须符合题目要求 电动车 含加在车体上的其它装置 外形尺寸规定为 长 300mm 宽 200mm 尽量控制高度 降低中心 提高稳定性 2 驱动电机选择估算跷跷板最大倾角 估算车体质量 保证电机有足够的扭矩 保证正常爬坡和行走 同时保证电机具有较小的步进角 较高的驱动频率 保证稳定性和速度 3 车体结构合理设计电路板 传感器位置 电池位置 保证车体重心尽量与中心重合 保证传感器位置振动最小 以准确自测姿势 6 3硬件工作原理分析与说明 一 电机控制电路 一 原理本设计中需要对电机的控制达到灵活 精确 从而达到非常理想的稳定平衡效果 经过考虑 采用了2只四相步进电机 型号为42BYGH404 电机电源部分采用十节AA型1 2V电池组直接供电 电机驱动部分采用8只N沟道MOS管IRF540驱动两只电机 使用一片ULN2803 八达林顿阵列 做电平转换控制驱动 图6 12步进电机电气控制原理图 二 辅助知识 步进电机原理一般电动机都是连续旋转 而步进电动却是一步一步转动的 故叫步进电动机 每输入一个冲信号 该电动机就转过一定的角度 有的步进电动机可以直接输出线位移 称为直线电动机 因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移 或直线位移 的执行元件 步进电动机的转子为多极分布 定子上嵌有多相星形连接的控制绕组 由专门电源输入电脉冲信号 每输入一个脉冲信号 步进电动机的转子就前进一步 由于输入的是脉冲信号 输出的角位移是断续的 所以又称为脉冲电动机 步进电动机的种类很多 按结构可分为反应式和激励式两种 按相数分则可分为单相 两相和多相三种 图6 13步进电机电气工作原理图 1 单三拍通电方式的基本原理设A相首先通电 B C两相不通电 产生A A 轴线方向的磁通 并通过转子形成闭合回路 这时A A 极就成为电磁铁的N S极 在磁场的作用下 转子总是力图转到磁阻最小的位置 也就是要转到转子的齿对齐A A 极的位置 图6 14 接着B相通电 A C两相不通电 转了便顺时针方向转过30 它的齿和C C 极对齐 图2c 不难理解 当脉冲信号一个一个发来时 如果按A C B A 的顺序通电 则电机转子便逆时针方向转动 这种通电方式称为单三拍方式 图6 14步进电机单3拍电气工作原理图 2 六拍通电方式的基本原理设A相首先通电 转子齿与定子A A 对齐 图6 15a 然后在A相继续通电的情况下接通B相 这时定子B B 极对转子齿2 4产生磁拉力 使转子顺时针方向转动 但是A A 极继续拉住齿1 3 因此 转子转到两个磁拉力平衡为止 这时转子的位置如图3b所示 即转子从图 a 位置顺时针转过了15 接着A相断电 B相继续通电 这时转子齿2 4和定子B B 极对齐 图c 转子从图 b 的位置又转过了15 其位置如图3d所示 这样 如果按A A B B B C C C A A 的顺序轮流通电 则转子便顺时针方向一步一步地转动 步距角15 电流换接六次 磁场旋转一周 转子前进了一个齿距角 如果按A A C C C B B B A A 的顺序通电 则电机转子逆时针方向转动 这种通电方式称为六拍方式 图6 15步进电机单6拍电气工作原理图 3 真实步进电机结构一般步进电动机最常见的步距角是3 或1 5 由上式可知 转子上不只4个齿 齿距角90 而有40个齿 齿距角为9 为了使转子齿与定子齿对齐 两者的齿宽和齿距必须相等 因此 定子上除了6个极以外 在每个极面上还有5个和转子齿一样的小齿 步进电动机的结构图如图6 16所示 图6 16真实3相步进电机结构图 实际的小型步进电机为提高控制精度 多为4相 步距角为1 8 当工作于4相8拍时 步距角为0 9 甚至为提高分辨率 有市售的细分控制器 可以将原来的一部分为1 256步 4 步进电机特点A 步进电机在电脉冲的控制下能迅速起动 正反转 停转及在很宽的范围内进行转速调节 B 加工精度高 即要求一个脉冲对应的位移量小 并要准确 均匀 这就要求步进电机步距小 步距精度高 不得丢步或是过冲 C 动作快速 即不仅起动 停步 反转快 并能连续高速运转以提高劳动生产率 D 输出转矩大 可直接带动负载 E 步进电机具有自锁能力 当控制脉冲停止输入 而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时 则电机可以保持在固定的位置上 即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上 这样 步进电机可以实现停车时转子定位 二 引导线检测及循迹控制 一 检测方案设计本系统需在跷跷板的中心线粘贴一条黑线 引导小车顺利的向目标前进 在车头和车尾各放置了10对光电传感器进行实时采样 保证小车能安全向前行驶的情况下也能反方向行驶 在采样问题上 如果采用比较法处理采样电压 得到高低电平需要20个比较器 并且电路连接复杂 在此巧妙的运用了同一个A D转换器采样两路光电检测管的方法 具体方法如下 小车正向行驶时 开通车头的发射管和接收管 关闭车尾的发射管和接收管 反向行驶的时候 开通车尾的发射管和接收管 关闭车头的发射管和接收管 这样做不但节省了I O口资源 还减小了功耗 对于A D采样值 通过不同权重的分配与加权 中心为界 距离中心越远 权重系数越大 的算法 采用纯比例控制 使小车在偏离跑道的情况下能够快速回到正确的路径上来 保证小车能够顺利 快速地完成任务 循迹时 具体方法是固定一个轮的速度 调整另外一个轮的速度来进行前进循迹控制 当大部分传感器检测到黑线时 则表示到了横线位置 图6 17引导线检测电气原理图 二 辅助知识 TLC2543 1 器件功能TLC2543是TI公司的产品 它是具有11个模拟输入通道的串行A D转换器 采样精度达12位 外接串行时钟最高频率可达4 1MHz 能满足多数较高精度 多通道数据采集的要求 TLC2543可以通过控制字编程控制转换是单极性或是双极性 数据输出格式是8位 12位或16位 它采用简单的3线SPI串行接口 可方便地与8位微控制器 如AT89C51 进行连接 TLC2543的控制字写入及转换结果的输出都是通过串行数据完成的 是12位数据采集系统的最佳选择器件之一 其主要性能如下 1 具有11个模拟输入通道2 具有66ksps的采样速率3 最大转换时间为10 s4 线性度误差最大为 1LSB5 具有低供电电流 典型值1mA 6 掉电模式电流4 A 2 引脚排列及功能TLC2543的引脚排列如图3 29所示 图6 18TLC2543引脚排列 三 倾角检测 一 检测原理与数据处理倾角检测采用SCA61T芯片 测试中我们发现在小车进入平衡过程时 步进电机的运行会带来车体的振荡 振荡时的倾角很不稳定 采样的值偏差太大 使系统完全崩溃 为解决振荡问题 我们采用了滑动平均滤波法 经过测试 振荡问题有了明显的改善 小车在平衡点稳定时振幅不大 接近平衡时的基本要求 但仍有改进的空间 经过再次论证 最后我们采用了二次滑动滤波 即将上次的滑动滤波得到的值与这次的采样值再次进行平均 经测试 结果令人满意 在测试过程中 我们也发现了跷跷板的固有振动频率对小车的平衡起着至关重要的作用 当跷跷板的固有振动频率较高时 小车很难跟上跷跷板的振动周期 很难取得平衡 通过反复调整与多个跷跷板的测试 小车的调整周期仍然无法与跷跷板相吻合 经多次实验 我们对跷跷板进行了机械改造 降低跷跷板的固有频率 使小车与跷跷板更好的配合 本系统使用的角度传感器是芬兰VTI公司的SCA61T角度传感器 它是一种高度集成单轴倾角传感器 采用8角塑封SMD封装 特点是5V单电源供电 测量范围为 90 90 数字SPI或模拟输出 高分辨率 0 1 低噪声 宽温度范围 40 125 角度的计算根据MISO数据输出口的数字量按照下面的公式计算得到 arcsin D out D out0 819 D out0 1024 是水平面时输出的数字量 D out 是当前测量角度位置输出的数字量 图6 18倾角传感器连接图 二 辅助知识 数字滤波实践促进理论发展 理论再去指导实践 循环往复1 数字滤波常识数字滤波算法的优点 1 数字滤波只是一个计算过程 无需硬件 因此可靠性高 并且不存在阻抗匹配 特性波动 非一致性等问题 模拟滤波器在频率很低时较难实现的问题 不会出现在数字滤波器的实现过程中 2 只要适当改变数字滤波程序有关参数 就能方便的改变滤波特性 因此数字滤波使用时方便灵活 对于不同干扰源 使用不同对策 具体如下 克服大脉冲干扰的数字滤波法 1 限幅滤波法 2 中值滤波法 对于抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 1 算数平均 2 滑动平均 3 加权滑动平均 对付复杂问题 复合滤波法 2 克服大脉冲干扰的数字滤波法克服由仪器外部环境偶然因素引起的突变性扰动或仪器内部不稳定引起误码等造成的尖脉冲干扰 是仪器数据处理的第一步 通常采用简单的非线性滤波法 1 限幅滤波法限幅滤波法 又称程序判别法 通过程序判断被测信号的变化幅度 从而消除缓变信号中的尖脉冲干扰 具体方法是 依赖已有的时域采样结果 将本次采样值与上次采样值进行比较 若它们的差值超出允许范围 则认为本次采样值受到了干扰 应予易除 已滤波的采样结果 若本次采样值为yn 则本次滤波的结果由下式确定 a为阀值 2 中值滤波法中值滤波是一种典型的非线性滤波器 它运算简单 在滤除脉冲噪声的同时可以很好地保护信号的细节信息 对某一被测参数连续采样n次 一般n应为奇数 然后将这些采样值进行排序 选取中间值为本次采样值 对温度 液位等缓慢变化的被测参数 采用中值滤波法一般能收到良好的滤波效果 3 抑制小幅度高频噪声的平均滤波法小幅度高频电子噪声 电子器件热噪声 A D量化噪声等 通常采用具有低通特性的线性滤波器 算数平均滤波法 加权平均滤波法 滑动加权平均滤波法等 1 算数平均滤波 N个连续采样值 分别为X1至XN 相加 然后取其算术平均值作为本次测量的滤波值 即 设滤波效果主要取决于采样次数N N越大 滤波效果越好 但系统的灵敏度要下降 因此这种方法只适用于慢变信号 Si为采样值中的有用部分ni为随机误差 2 滑动平均滤波法 对于采样速度较慢或要求数据更新率较高的实时系统 算术平均滤法无法使用的 滑动平均滤波法把N个测量数据看成一个队列 队列的长度固定为N 每进行一次新的采样 把测量结果放入队尾 而去掉原来队首的一个数据 这样在队列中始终有N个 最新 的数据 为第n次采样经滤波后的输出 为未经滤波的第n i次采样值 N为滑动平均项数 平滑度高 灵敏度低 但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差 实际应用时 通过观察不同N值下滑动平均的输出响应来选取N值以便少占用计算机时间 又能达到最好的滤波效果 3 加权滑动平均滤波 增加新的采样数据在滑动平均中的比重 以提高系统对当前采样值的灵敏度 即对不同时刻的数据加以不同的权 通常越接近现时刻的数据 权取得越大 4 复合滤波法 在实际应用中 有时既要消除大幅度的脉冲干扰 有要做数据平滑 因此常把前面介绍的两种以上的方法结合起来使用 形成复合滤波 去极值平均滤波算法 先用中值滤波算法滤除采样值中的脉冲性干扰 然后把剩余的各采样值进行平均滤波 连续采样N次 剔除其最大值和最小值 再求余下N 2个采样的平均值 显然 这种方法既能抑制随机干扰 又能滤除明显的脉冲干扰 四 平衡控制 一 具体实施控制原理与方法采用增量式PID算法 固定采样计算周期 100ms 比例调节作用 系统一旦出现了偏差 比例调节立即产生调节作用以减少偏差 由于比例作用大 可以加快调节 减少误差 但是过大的比例 使系统的稳定性下降 甚至造成系统的不稳定 积分调节作用 只要系统有误差 积分调节作用就不断地积累 输出控制以消除误差 因而只要有足够时间 积分能消除误差 但积分作用太强会使系统超调量太大 甚至使系统出现振荡 所以 我们选取很小的系数Ki 并且采用积分饱和限制的方法 很好地利用了积分的作用 微分调节作用 微分作用反映系统偏差信号的变化率 具有预见性 能预见偏差变化的趋势 因此 能产生超前的控制作用 在偏差还没有形成之前 已被微分的调节作用消除 可以改善系统的动态性能 小车要达到稳定就需要这种预见性 所以 选择合适的Kd十分关键 简化后的增量式PID算法如下 Vn Vn 1 V 1 V Kp en en 1 Kien Kd en en 1 en 1 en 2 2 Vn Vn 1 当前和上次操作量 实际对应电机的步数 注 执行时采用变速执行 类似变比例方式 步数多快走 步数少慢走 V 增量 en en 1 en 2 当前 上次 上上次偏差 Kp Ki Kd 数值通过实验调试得到 二 辅助知识 简单控制理论知识 PID控制 典型控制回路 单回路控制 如下 对于本题 变送器为倾角传感器 控制器为MCU 调节器为步进电机 调节对象为小车 被调参数为倾角 干扰为跷跷板的摇摆 也有小车自身运动干扰 图6 19单回路控制系统原理图 1 系统的静态与动态系统在无扰动平衡条件下长时间保持稳定称静态 系统受到干扰 被控对象 参数 偏离设定值 平衡受到破坏 向新的稳定点过度的状态为动态 系统从一个静态经过干扰后进入另外一个静态的过程为过渡过程 以下为典型过渡曲线 图6 20调节系统平衡过渡曲线 2 对控制系统的基本要求稳定性 快速性 准确性 三个主要指标互相制约 一般重点考虑稳定性 3 过渡过程品质指标1 最大偏差A 2 衰减比 A C B C 4 1 10 1 大约2个周期后接近稳态 3 余差C 它是衡量进入稳态后的精度指标 4 过渡时间t 一般取与稳态误差5 范围即认为接近稳态 此时间定义为过渡时间 5 振荡周期T 图6 21调节系统平衡过渡曲线 4 受控对象的动态特性经常用系统放大倍数 调节通道与干扰通道 时间常数来衡量 系统放大倍数1 调节通道放大倍数在系统稳定条件下 输入量与输出量之间的对应关系 系统的静态特性 如 Y KpQ C Y 输出 Q 输入 或 Y Kp Q Kp值越大 系统灵敏度越高 在实际工艺系统中 通常采用比较K值的方法来选择主要控制参数 当然 由于工艺条件和生产成本的制约 实际上并不一定都选择K值最大的因素作为主控参数 2 干扰通道放大倍数 Y Kf f Y 输出 f 干扰 Kf小 系统稳定 系统容量大 抗干扰能力强 时间常数在一定的输入作用下 被调参数完成其变化所需时间的参数 当对象受到阶跃输入作用后 被调参数达到新的稳定值所须的时间 由于调节量越大 被调参数的变化越大 随着调节作用的进行 相对调节量变小 被调参数的变化减小 所以 在阶跃输入后 被调参数的实际变化速度是越来越小的 因此 被调参数变化到新的稳定值 与新输入量相对应的输出量 所需的时间实际上应该是无限长 总体来说 时间常数小 系统惯性小 控制速度快 反之控制速度慢 5 PID控制1 P调节 输出量与被控量的差值成正比 P KP e放大倍数KP 输出量与被控量的差值的比例系数 比例度 控制器输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数 放大倍数KP与比例度 成反比 KP值过大 值过小 系统反应过于灵敏 容易造成过度调节 产生大幅振荡 KP值过小 值过大 系统反应过于迟钝 调节时间长 余差大 KP值 值 适中经过少数几个减幅振荡后 逐渐趋于稳定 有一定的余差 一般不单独使用 调节过程类似于调节音