二维度运动控制系统_本科毕业论文

二维度运动控制系统_本科毕业论文

******大学本科生毕业论文******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\n******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\n******大学本科生毕业论文ABSTRACTThetwodimensionsmovementoftheIndustrialrobotmanipulatorisalwaysthecombinationofthedegreesoffreedomoftheaxialofmovementaxisandtheradialrotation.Tocomplythemovementonthe500mm141mmplane,adoptingacommonhigh-speedembeddedSCM——theAVRSCMasthemainsystem,usingtheballscrewasthetransmissionmechanismofthelinearmovement,thisdesigndevelopsanddevisesasetofsystemtoachievethetwodimensionsmovementoftheIndustrialrobotmanipulator.ItalsosystematicallyexpoundsthemethodofusingtheSCMtoexploitatwodimensionsmovementcontrollerbasedonthesteppermotorandDCservomotor.Firstly,thispaperintroducesitsbackground,maincontentsandsignificance.Secondly,thisissueadoptsthemodulardesignconcepttodesignthehardwarecircuitofthetwo-dimensionmotioncontrolsystem.WiththeATmega16ascore,thisissuedividesthecontrolsystemintothecontrollermodule,themotordrivingmodule,themotorrunningmodule,andthepowersupplymodule,anditmakesdetaileddescriptionandanalysisofeverymodule.Thecontrolmodulemainlydealswitheverykindofdataandinformation,andcoordinateseachmoduleofthesystemtoachievethescheduledtasks.Thedrivingmodulemainlydrivethestepmotorandtheservomotorinordertoachievethelocationofftherobotmanipulator.Thepowersupplymodulesuppliespowertothewholetwo-dimensionmotioncontrolsystem.InadditionthispaperalsodevisesthecircuitschematicandplansthePCBmapaccordingtothecircuitschematic.Finally,thispaperdevisesthesoftwareprograms.Meanwhileitdesignsthewholeworkflowofthetwo-dimensionmotioncontrolsystemaccordingtothesystem'sfunctionandenumeratespartialcode.\n******大学本科生毕业论文Keywords:ATmega16SCM,thestepmotor,theservomotor,thecontrolsystem\n******大学本科生毕业论文目录第1章绪论11.1课题背景及意义11.2工业机器人及机械手综述21.3运动控制系统的现状31.4本课题的主要研究内容6第2章系统总体设计72.1运动控制的基本概念72.2课题技术指标72.3系统总体设计72.4机械设计82.4.1总体机械结构设计82.4.2机械手臂的设计92.4.3理论坐标计算102.4.4滚珠丝杠的介绍及选型102.5电机的选型142.5.1步进电机的选型142.5.2直流伺服电机的选型162.6本章小结18第3章硬件电路设计193.1微处理器的最小系统电路193.1.1ATmega16单片机的简介193.1.2基于ATmega16的控制模块203.2步进电机驱动电路的设计、对比与选择213.2.1定位精度的理论计算21\n******大学本科生毕业论文3.2.2采用以L298N为主芯片的人工设计的步进电机驱动电路223.2.3采用步进电机驱动器MD540驱动步进电机263.2.4步进电机驱动模块的选择293.3直流伺服电机驱动电路的设计、对比与选择293.3.1基于BTS7960的驱动电路293.3.3直流伺服电机驱动电路的选择343.4矩阵键盘的设计343.5显示模块——LCD显示屏1602363.5.1LCD1602简介363.5.2LCD1602的硬件电路393.6PCB的生成393.7　本章小结39第4章软件设计414.1初始化模块设计424.2系统整体流程图434.3电机控制模块444.3.2步进电机控制454.2.3直流伺服电机控制464.4键盘输入模块484.5LCD显示模块494.6程序编译494.6.1WinAVR介绍504.6.2程序的编译514.7本章小结51第5章系统调试525.1PWM技术简介52\n******大学本科生毕业论文5.2系统调试535.3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\n******大学本科生毕业论文第1章绪论1.1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。4\n******大学本科生毕业论文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。1.2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。4\n******大学本科生毕业论文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、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]。1.3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DSP4\n******大学本科生毕业论文的计算能力，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MOTOMAN-VA1400。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；R关节410/s；B关节410/s；4\n******大学本科生毕业论文T关节610/s。图1.1MOTOMAN-VA1400美国iRobot公司研制了PackBot系列反狙击机器人。图1.2PackBot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0.87米,宽0.51米,高0.18米,重仅18千克,在行军中士兵可以把它轻松地背在背上。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。4\n******大学本科生毕业论文1.4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。4\n******大学本科生毕业论文第2章系统总体设计2.1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。”2.2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：0.1mm；2、Y向定位精度：0.2mm（即转角定位精度约0.1°）；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°）。2.3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4\n******大学本科生毕业论文，步进电机和直流伺服电机转动。其对应的系统整体框图如下：图2.1系统框图2.4机械设计2.4.1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：4\n******大学本科生毕业论文图2.2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。2.4.2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0.1kg。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β在0——45°；（2）不设置配重。示意图如下：图2.3系统机械臂左视图4\n******大学本科生毕业论文2.4.3理论坐标计算设定前臂长度200mm，由于β角在0—45度之间变化，故Y向范围为0——141mm；轴向运动范围就是机械臂在丝杠上的运动范围，即0——500mm。请见下图图示：图2.4理论坐标计算图若外部输入设备输入轴向坐标a、转角θ，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θ，则机械臂在Y向的位置为距离起点O处个单位的位置，即机械臂臂尖的坐标为（a，）。2.4.4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2.4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。4\n******大学本科生毕业论文图2.5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0.06～0.15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0.0025～0.0035。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1/4～1/2，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4\n******大学本科生毕业论文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5μm/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0.24kg，而机械臂的质量为0.1kg，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0.34kg——0.4kg（不包括驱动器）。4\n******大学本科生毕业论文在丝杠的选择上，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2.6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1R12-5B2-PSDWE1-500-650-0.027-H，所表示的滚珠丝杠的技术指标为：4\n******大学本科生毕业论文牙长：500mm，总长：650mm，任意300mm内的导程误差：0.027mm，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。2.5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。2.5.1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m=0.1kg，长度L=200mm，转角范围在0°——45°之间，取g=10N/kg，可计算得所需步进电机提供的最大扭矩为；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：在这里取分母为0.5，则=0.1424\n******大学本科生毕业论文在这里对于步进电机的脉冲频率要求的比较宽松，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0.52A，步距角1.8°，保持转矩0.172，空载启动频率600。由此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4.7mm，质量为0.24kg。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。因此，选择型号为42GYB012的步进电机满足系统设计的需求。4\n******大学本科生毕业论文2.5.2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：式中，：驱动扭矩；：轴向负载（，：丝杠的轴向切削力，：导向件的综合摩擦系数，：移动物体重量(工作台+工件)kg，g:9.8）；：丝杠导程mm；：进给丝杠的正效率。机械臂质量为0.1kg，步进电机质量为0.24kg，驱动器质量在0.4——0.6kg之间，为便于计算，不妨取。丝杠的轴向切削力，综合摩擦系数，得；由且按经验，取4\n******大学本科生毕业论文得即所需的直流伺服电机所能提供的扭矩最小为0.332。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2342L012-12V120转，其主要技术参数如下：堵转转矩：（）；连续扭矩：；工作电压：；空载转速：;减速后速：;直径：；出轴直径：；电机长度：；出轴长度：；总共长度：；输出功率：；空载电流：；堵转电流：；减速箱型号：日本定制（全金属精密行星减速箱）；减速比：66:1；编码器：光电式；输出路数：AB双路输出；每圈脉冲：。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0——80KHz。4\n******大学本科生毕业论文2、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100s，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2342L012-12V120转，满足系统设计指标需求。2.6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。4\n******大学本科生毕业论文第3章硬件电路设计3.1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。3.1.1ATmega16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④工作于16MHz时性能高达16MIPS⑤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IEEE1149.1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RC4\n******大学本科生毕业论文振荡器；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、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ATmega16L：2.7-5.5VATmega16：4.5-5.5V（2）速度等级0-8MHzATmega16L0-16MHzATmega16（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。3.1.2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：4\n******大学本科生毕业论文图3.1单片机的控制模块电路在此控制系统中PB0~PB7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；K1~K8与键盘矩阵相连，接收输入信号。3.2步进电机驱动电路的设计、对比与选择3.2.1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0.2mm，4\n******大学本科生毕业论文理论上计算臂尖在Y轴方向上平动0.2mm时，机械臂所转动的角度θ，由角θ即可确定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3.2所需最小转角计算注意：图中边b=c=200mm，这里为了使读者看清楚，才将角θ放大。由余弦定理知，，可得，。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θ。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30:1，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。3.2.2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]4\n******大学本科生毕业论文。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4．5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。输出电流可达2．5A，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3.3LM298实物图其对应的功能逻辑图如下：4\n******大学本科生毕业论文图3.4L298N功能逻辑图2、芯片主要引脚用法说明+5V()：芯片电压5V；+12V()：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；OUT1—OUT4：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；IN1~IN4：输入端，输入端电平和输出端电平是对应的。表3—1L298N功能表ENAIN1IN2运行状态0××停止110正转101反转111刹停100停止4\n******大学本科生毕业论文IN3，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3.5L298N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）——所要求的步进电机轴的转速，；——步距角，（°）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。4\n******大学本科生毕业论文因此，步进电机的控制频率。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冲频率范围内（0~16MHz）。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3.2.3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1.2A～4.0A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3.6MD540步进电机驱动器4\n******大学本科生毕业论文功能特点供电电压DC12V~42V；峰值电流1.2A~4.0A，8档可调，分辨率0.4A；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。表3—2信号接口信号描述PUL+/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。PUL-/CW-DIR+/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。DIR-/CCW-ENABLE+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。ENABLE-表3—3电流设置表(峰值Peak=均值RMSx1.4)峰值电流SW1SW2SW31.2A0.86AONONON1.6A1.14AOFFONON2.0A1.43AONOFFON2.4A1.71AOFFOFFON2.8A2.00AONONOFF3.2A2.29AOFFONOFF3.6A2.57AONOFFOFF4.0A2.86AOFFOFFOFFSW4：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。4\n******大学本科生毕业论文表3—4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3.7MD540连线图其中，GND与+V之间接12V电源。4\n******大学本科生毕业论文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，则单片机应提供给驱动器的脉冲频率是。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。3.2.4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。3.3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。3.3.1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：4\n******大学本科生毕业论文图3.8BTS7960逻辑功能图该芯片对应的引脚说明请见下表：表3—5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4\n******大学本科生毕业论文2、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3.9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0——46A，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的输入或输出引脚，以增大电流，增加了不必要的操作4\n******大学本科生毕业论文，而且浪费了部分芯片功能；使用两片芯片，增加成本。3.3.2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5.0AH桥驱动芯片。其结构图如下：图3.10MC33886结构图2、MC33886芯片的真值表表3—6真值表输入输出D1/D2IN1IN2OUT1OUT20110100101010100000111114\n******大学本科生毕业论文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：图3.11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(1)驱动电流范围0——5A,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。4\n******大学本科生毕业论文(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。3.3.3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。3.4矩阵键盘的设计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：图3.12矩阵键盘4\n******大学本科生毕业论文各个按键对应的功能如下：数字键对应：按键1—1；按键2—2；按键3—3；按键5—4；按键6—5；按键7—6；按键9—7；按键0—8；按键A—9；按键D—0；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3.6mm，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35.5°，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：图3.13键盘抖动现象波形和电路图4\n******大学本科生毕业论文在本设计中，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。3.5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0——500mm，转角范围0——45°，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。3.5.1LCD1602简介1、显示模块——LCD显示屏1602实物图如下：图3.14LCD显示屏1602实物图4\n******大学本科生毕业论文2、1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.5—5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm3、引脚功能说明：本设计采用的是带背光16脚LCD1602，各引脚接口说明下表所示：表3—7编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。4\n******大学本科生毕业论文第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。4、LCD1602的指令说明及时序：1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表所示：表3—8序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容4\n******大学本科生毕业论文3.5.2LCD1602的硬件电路依据上述LCD1602的引脚接口和功能说明，结合ATmega16的IO口接法，本设计的显示电路如下图所示：图3.15LCD1602的硬件电路3.6PCB的生成信号线宽为0.1mm，电源线宽为0.3m。线与线之间和线与焊盘之间的距离大于等于0.33mm。盘的直径为0.3mm，PCB板上设计的元件安装孔径应比元件管脚的实际尺寸大0.2～0.4mm左右。安全间距则设定为0.254mm。总的电路图和PCB图请见附录。3.7　本章小结4\n******大学本科生毕业论文本章是论文的重点章节，主要是根据控制系统的方案进行硬件电路设计及制作。主要包括微控制器模块设计，步进电机及直流伺服电机驱动电路设计、对比与选，输入、显示模块设计等。首先就微处理器模块给出了ATmega16的最小系统，然后在理论上着重计算了步进电机控制的精度、系统对力矩的要求，直流伺服电机的力矩情况，再按照结构化设计的思想，设计了步进电机和直流伺服电机的驱动模块、44矩阵键盘输入模块、LCD1602显示模块，给出了具体的电路图。至此，控制系统的硬件设计就已完成。4\n******大学本科生毕业论文第4章软件设计硬件电路是软件程序工作的基础，而软件程序则能使硬件电路的功能得到充分的发挥，控制任务的实现最终是靠软件程序来完成的。系统的软件功能决定了系统的软件设计，在同等精度的控制硬件下，软件设计的质量直接决定了整个系统的控制质量和控制效率。为了实现设计要求，需要先规划好软件结构。软件结构就是按照软件的功能定义，将软件系统分为若干个模块，每个模块实现不同的功能。这些模块通常都可以分别进行设计和调试，待系统中所有的模块均设计完成之后，就可以把各个模块合并起来，形成最终的系统软件。这也是模块式设计思想。应用此法设计软件，工作效率高，快捷而有效地完成预计目标。本课题根据软件的功能，将本软件系统分为初始化模块、步进电机控制模块、直流伺服电机控制模块、输入模块、显示模块等。下面就本设计的软件设计与系统调试进行说明。软件结构如下图所示：图4.1软件结构图4\n******大学本科生毕业论文在设计应用程序之前，还需要先了解整个软件设计的基本要求，主要要求有以下四点：(1)实时性步进电机控制及直流伺服电机控制都是实时控制，所以它的软件必须是实时性控制软件；(2)可靠性在软件设计中，功能完成是设计最基本的要求。功能的完成是基本，系统的可靠性是关键，只有系统的可靠性高才能保证系统的正常运行；(3)针对性单片机控制软件系统的最大特点是具有较强的针对性，即每一个控制程序都是根据一个具体系统的要求来设计的；(4)易维护性一个好的完整的控制软件在一开始总体设计时，必须要有良好的结构设计，以利于提高软件在反复调试、修改和补充过程中的效率。4.1初始化模块设计初始化模块主要执行系统硬件的状态初始化，只在程序上电后执行一次，在本设计中主要包括端口初始化、动作初始化。（1）ATmega16端口初始化：芯片上电后，程序先设置ATmega16的内核资源，对系统所用到的端口，通过设置其数据寄存器、方向寄存器以及相关位，将其设为输入或者输出，并使能所有上拉电阻。（2）动作初试化：上电之后初始化机械臂作，并使之处于初始状态。（3）特别的，将系统默认坐标设置为000.0mm，000.0°。4\n******大学本科生毕业论文4.2系统整体流程图图4.2系统整体流程图4\n******大学本科生毕业论文“是否合理”框图表示在程序中设置判断，判断键盘输入的坐标数据是否在系统允许输入的运动范围内，是否符合输入的格式要求；“是否完成”框图表示在程序中设置判断，判断键盘输入的坐标过程是否完成；若输入完成且输入合理，则显示“READY”，若输入不合理，则显示“ERROR”。“是否工作”框图对应于当键盘模块中“开始工作键”是否按下，按下表示示开始工作。在计算电机的转动的圈数时，是用的本次输入的坐标减去上一次输入的坐标，差值即是本次电机应转动的圈数。4.3电机控制模块在程序初始化之后，就进入主循环。电机控制程序（步进电机控制程序和直流伺服电机控制程序，在这里两个程序调用的原理基本相同，是以放在一起说明）是作为子程序存在的，当单片机与键盘接口检测到有外界坐标输入并确定输入正确后，主程序调用电机控制程序，控制电机转动，进而带动机械臂平动进入设定在滚珠丝杠上的水平为正式，然后转动输入的角度。4.3.1程序中涉及的计算说明在本设计的程序中，有两处计算需要说明：（1）直流伺服电机转动圈数换算设操作者输入的轴向目标坐标为a㎜，由前面所述，丝杠的导程为5㎜，则直流伺服电机应转的圈数为圈。又PWM波的占空比是50%，设直流伺服电机的转速约为vr/min，则机械臂在滚珠丝杠上的行进速度约为㎜/s。因此，需要控制模块发送PWM波的时间为s。（2）步进电机转动圈数换算设操作者输入的转动角度为θ°，经过MD540驱动器32细分后，步进电机每转动一步带动机械臂转动约0.06°，则应发送给步进电机的脉冲数为4\n******大学本科生毕业论文个。4.3.2步进电机控制步进电机采用脉冲控制方式，脉冲通过软件编程实现。控制模块、步进电机驱动模块和步进电机按要求连接之后，由单片机的IO口PD0向MD450步进电机驱动器输入频率为150Hz的控制脉冲，驱动步进电机转动；PD1向驱动器输入控制电平（高或低），控制电机的正反转；PD2向驱动器输入高电平的使能信号，使驱动器处于工作状态。图4.3步进电机控制流程4\n******大学本科生毕业论文步进电机控制程序为：正转反转DDRD|=0XFF;DDRD|=0XFF;voidmaichong(void)voidmaichong(void){{for(;;)for(;;){{PORTD|=0X03;PORTD|=0X05;delay_ms(3);delay_ms(3);PORTD~=0X00;PORTD~=0X00;delay_ms(3);delay_ms(3);}}}}4.2.3直流伺服电机控制由于本设计中，不需要使直流伺服电机的转动速度改变，因此直流伺服电机采用占空比与相位不变的PWM的控制方式即可。设定其频率为8KHz（频率设定会在5.1节详述），由于伺服电机转速恒定，且系统开环控制，为保证机械臂运动精度，此处设定PWM波占空比为50%，即电机转速约为60RPM。按前面所述连接好电路之后，由PD5、PD4向MC33886驱动模块输入频率8KHz的PWM控制波，占空比为50%。当PD5=H，PD4=L，电机正转；当PD5=L，PD4=H，电机反转。其软件控制流程如下图所示：4\n******大学本科生毕业论文图4.4直流伺服电机控制流程按前面所述连接好电路之后，由PD5、PD4向MC33886驱动模块输入频率8KHz的PWM控制波，占空比为50%。当PD5=H，PD4=L，电机正转；当PD5=L，PD4=H，电机反转。直流伺服电机控制程序为：正转：voidmain()反转：voidmain(){{DDRD|=0X20;DDRD|=0X10;TCCR1A=0X50;TCCR1A=0X50;TCCR1B=0X09;TCCR1B=0X09;OCR1A=499;OCR1A=499;}}具体PWM波占空比与频率的确定，请见5.1节PWM简介。4\n******大学本科生毕业论文4.4键盘输入模块对于键盘输入模块，前面已经提及硬件消抖方法。由于增加硬件会增加系统成本和控制器的复杂程度，因此在本设计中采用软件消抖的方法。1、软件消抖软件延时去除抖动其实就是在单片机获得端口有按键动作时，不是立即认定按键开关已被按下，而是延时10ms或更长一段时间后再次检测端口，如果仍为动作电平，则说明按键开关的确按下了，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间;而在检测到按键释放后(端口为高)再延时5~10ms,消除后沿的抖动,然后再对键值处理。2、键盘工作流程程序初始化之后就进入主循环扫描键盘，不断检测键盘的输入信号。当操作者向键盘输入信号，程序判断坐标输入合理，并开始工作键被按下时，控制模块控制电机运动，带动机械臂进入预设位置，动作结束后，程序继续返回循环扫描键盘。其中，设定X向输入范围为0——500mm，转角输入范围是0——45°，并将两行的输入数据格式均设置成4位固定格式（×××.×）。当有外界输入时，判断输入是否符合规则并在允许输入范围内，若是，则显示模块显示READY；否则显示ERROR。在外界坐标全部输入完成且合理情况下，显示模块显示READY,等待“开始工作”键按下，系统开始工作。键盘工作的流程请见下图：4\n******大学本科生毕业论文图4.5键盘流程图4.5LCD显示模块在主程序中，当键盘模块检测到外部信号输入的时候，主程序会调用LCD1602的显示程序，在LCD1602的显示屏上，就会在第一行显示外部输入的轴向运动坐标，在第二行显示转动角度坐标。当判断输入正确时，显示READY字样；当判断输入错误时，显示ERROR字样。4.6程序编译汇编语言作为传统单片机系统的编程语言，具有执行效率高、速度快等优点，但本身作为一种低级语言，编程效率低、移植性和可读性差，所以代码难以规范化、4\n******大学本科生毕业论文模块化。而C语言作为一种高级语言，编写的程序因为有很好的结构性和模块化，可以加快开发进度；无需精通单片机指令集和具体的硬件；省去人工分配单片机资源的工作；可利用C语言的功能管理资源，利用标准函数库省去重复编写相同代码；程序、算法移植性好、可读性强，可方便移植到其他种类单片机上；C语言功能丰富、表达能力强、使用灵活以及它对硬件的支持性使得C语言开发单片机软件变得很成熟。同时用C编写程序比汇编更符合人们的思考习惯，开发者可以更专心的考虑算法而不是考虑一些细节问题。正因为C语言编写代码有诸多优点，所以本设计程序主要采用C语言编写。4.6.1WinAVR介绍由于AVR单片机的自身优势，吸引了大量的第三方厂商为AVR单片机编写开发出各种高级语言编译器和开发软件平台[19]。其中支持C语言的开发环境有ICCAVR、IARSystems、AVRGCC、CodeVisionAVR、WinAVR等。WinAVR是著名的自由软件编译器的GNUGCC的AVR开发环境的移植，它所有的源代码都是向用户开放，完全免费，编译效率高、稳定性好，支持几乎所有的AVR芯片，是全球AVR爱好者喜欢的开发工具之一。WinAVR是由一系列AVR单片机开发工具组成的开发工具套件[]，主要套件包括：编译器AVR-GCC、编译器PN（ProgrammersNotepad）、makefile生成工具Mfile和其前端AVR-Insight等，功能十分强大。PN是WinAVR工具套件的重要组成部分，是GCC语言编辑器，将C语言进行编译，输出某种格式的文件（如*.hex、*.efl等），从而使源文件的程序在单片机上运行。PN功能强大，而且用不用颜色区别不同的语法的关键字，并提供非常有用的应用程序接口。Mfile是一个工具，可以让用户方便地修改makefile上的参数。因为WinAVR没有一个集成的用户环境（IDE），所以我们需要一个叫做makefile的文件来管理程序的编译链接，它可以描述原程序之间的相互关系并制动维护编译工作，是GCC编译不可缺少的部分[20]。4\n******大学本科生毕业论文4.6.2程序的编译打开PN，新建工程组及工程后，在编辑器编写程序并保存。在编译之前还需要一个makefile文件，并需要把这个文件放到当前工程的目录下，才能正确编译。把WinAVR软件的sample文件夹下拷贝makefile文件，然后用PN打开Makefile，只需要修改单片机类型（MCU）、目标文件名（TARGET）、C源文件名（SRC）即可。保存后然后执行【makeall】命令进行编译。如有错误，在OUTPUT中点击相关的错误报告光标将被定位在错误所在行。根据错误内容检查并修改错误，重复执行【MakeAll】，直至没有错误出现。编译成功后，在“Output”窗口将输出编译结果，包括各个段的大小会以及“ProcessExitCode:0”的信息。编译成功后，原来只有2个文件的目录，现在变成了如图4-7所示的文件列表。至此，程序的编译就完成了。其中，main.elf包含调试信息，供AVRStudio调试与仿真的文件。main.hex是二进制可执行文件，为最终下载到AVR芯片里的目标文件。4.7本章小结本章在硬件平台的基础上，根据功能的要求，按照模块化的设计思想进行系统的软件设计，主要包括初始化模块、步进电机控制模块、直流伺服电机模块以及键盘模块、显示模块等。首先详细介绍了各模块，然后详述了软件运行流程，最后对系统编程中的一些用到的计算公式作出了说明，并利用WinAVR软件进行程序的编译，生成用于调试及下载的目标文件。4\n******大学本科生毕业论文第5章系统调试本设计主要是控制电机的运动，电机控制中一项重要的技术就是PWM技术。下面先行介绍下PWM技术控制电机的原理，然后就系统的设计调试作出介绍。5.1PWM技术简介PWM是脉冲宽度调制的简称[21]。实际上，PWM波也是一个连续的方波，但在一个周期中，其高电平和低电平的占空比是不同的。一个典型PWM的波形下图所示：图5.1典型的PWM波在图中，T是PWM波的周期，T1是高电平的宽度，Vcc是高电平值。当该PWM波通过一个积分器后（低通滤波器）后，我们可以得到其输出的平均电压为：式中，T1/T称为PWM波的占空比。控制调节和改变T1的宽度，即改变PWM的占空比，就可以的到不同的平均电压输出。因此在实际应用中，常利用PWM波的输出，实现D/A转换，调节电压或电流控制改变马达的转速，实现变频控制等功能。4\n******大学本科生毕业论文一个PWM方波的参数有频率、占空比和相位（在一个PWN周期中，高低电平转换的起始时间），其中频率和占空比为主要的参数。在本设计中，由于不需要对PWM波的相位进行改变，也不需要对PWM波的频率进行变化，因此，固定占空比和固定频率的PWM波驱动电机即可。OC0输出的PWM波形的频率输出由下式确定，式中N的取值为1、8、64、256或1024。在本设计中，取N=1，即无预分频，ATmega16晶振8M，由于MC33886的可接受频率范围为0~10KHz，当频率过低时则伺服电机有震动，频率过高MC33886会发热，因此选择PWM波的频率约为8KHz。通过设置寄存器OCRnA的值，可以改变PWM波频率。由公式推算后，设定OCRnA=499。5.2系统调试一个以单片机为核心的控制器经过预研、总体方案设计、硬件及软件设计、印刷电路板的制作和元器件安装后，还要经过调试和严格测试，只有通过调试才能发现并修正系统设计中的缺陷，只有对应用程序进行测试，才能发现软件中存在的错误。调试时要验证程序运行是否正确，可借助万用表、示波器等检查硬件电路是否工作正常。系统调试是一件十分繁琐的工作，但必须严格认真才能保证系统的可靠性。控制的主要对象是两个电机的运动。键盘把对控制对象的命令(轴向目标和转角目标)通过发送给单片机，单片机通过接收并保存至接收缓存区，并在LCD显示屏中显示输入的信息。单片机计算出本次目标点与上一次目标点的相对距离，先向直流伺服电机发送PWM指令，待到机械臂运动到轴向预设位置后，向步进电动机发脉冲指令，步进电机带动机械臂转过预设角度。运动结束后，在程序返回到原来的扫描键盘的工作。4\n******大学本科生毕业论文5.3本章小结本章主要介绍了PWM技术控制直流伺服电机的原理，并就整个运动控制系统的调试过程作出简介。分析结果显示，单片机对步进电机和直流伺服电机的运动控制可行。4\n******大学本科生毕业论文结论本文根据目前国内外机器人和运动控制学的研究和发展趋势，结合课题的设计要求，完成了一套完整的二维度运动控制系统设计，两个维度的运动精度满足了设计要求。论文主要完成的工作有以下几个方面：1、根据系统要求，选取了台湾HIWIN（上银）公司的型号为：1R12-5B2-PSDWE1-500-650-0.027-H的滚珠丝杠；2、按照控制系统要求，选定了ATMEL公司的AVR系列单片机ATmega16作为控制系统的核心，并进行硬件电路设计，对各模块进行了详细的分析和介绍；设计了电路原理图，并根据原理图进行PCB的设计；3、在硬件平台的基础上，按照模块化的设计思想进行系统的软件设计，详细介绍了各模块的流程，并利用WinAVR软件进行程序的编译，生成用于调试及下载的目标文件；4、进行了系统的理论分析，对于出现的问题及时解决。证明了系统的可行性。由于经费、实验设备以及本人经验、能力有限，本设计没有制作出成品，只在理论上作出了设计，此设计有以下尚待改进的若干功能，后续设计者可以加以设计延伸：1、机械臂在Y方向无法实现平滑运动，后续可以加入一个关节以实现之；2、在键盘中，未设置暂停键，其功能是在机械臂的运动过程中，按下暂停键，则机械臂停止运动，此法可以通过在运行过程中，按下系统的复位键解决，但是设置暂停键效果更佳；3、可在丝杠的起点处设置机械归零开关，当系统停止使用时，可以使机械臂回到机械原点；4、在机械臂轴向和转角运动时，可采用直线插补方式，使步进电机、直流伺服电机同时带动机械臂运动。4\n******大学本科生毕业论文5、后续设计中，可改变驱动直流伺服电机的PWM波的相位和占空比，从而使得直流伺服电机变速运动，并对X向的定位加入闭环控制，精度可提高一至两个数量级。4\n******大学本科生毕业论文参考文献[1]宋健.智能控制超越世界的目标[J].中国自动化学会通讯,1999(14):7.[2]蒋新松.机器人与工业自动化,石家庄：河北教育出版社，1994[3]世界工业机器人产业发展动向.今日科技,2001,11:4110[4]陈恳，机器人应用技术，清华大学出版社，2006.9。[5]吴瑞详.机器人技术与应用.北京:北京航空航天大学出版社,19942[6]王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封，1999,5[7]吴宏，蒋仕龙，运动控制器的现状与发展，制造技术与机床，2004，1：45～50.[8]秦志强，彭建盛，AVR单片机与小型机器人制作，电子工业出版社，2009，06.[9]程光仁，施祖康，滚珠丝杠副设计基础，北京：机械工业出版社，1987:23～24.[10]饶振纲，王勇卫，滚珠丝杠副及自锁装置，北京：国防工业出版,1990:30～32.[11]肖正义，滚珠丝杠副的发展趋势，制造技术与机床，2000，30(4):11～13.[12]迟海红，单曼红，自动控制元件，中国电力出版社，2009.6:75~110.[13]李忠杰，宁守信，步进电动机应用技术，北京：机械工业出版社，1998:12～48.[14]王晓明，电动机的单片机控制，北京：北京航空航天大学出版，2002.51～81.[15]朱飞,杨平.AVR单片机C语言开发入门与典型实例[D].北京:人民邮电出版社,2009:3-8.4\n******大学本科生毕业论文[16]王鸿钰，步进电机控制技术入门，同济大学，1990.9.[17]刘宝廷，程树康，步进电机及其驱动控制系统，哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1997:20～23.[18]孟志远等，基于L297/L298步进电机的精确单片机控制程序，2011.[19]周兴华，手把手将你学AVR单片机C程序设计（附光盘）北京航空航天大学出版社，2009.4.[20]刘建清，孙保荣等，AVR单片机C语言，北京航空航天大学出版社，2011.3：34~16.[21]马潮，AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践（第二版），北京航空航天大学出版社，2007.10:243～310.4\n******大学本科生毕业论文致谢时光荏苒，大学四年的象牙塔生活在论文即将结束之际也走入了尾声，而这四年的学习经历必将成为我人生阅历的一个重要部分。在论文即将结束之际，我谨向所有关心、帮助我完成研究生学习的老师、同学、朋友和亲人们表示由衷的感谢！从论文的选题到课题的研究再到论文的撰写，一步一步的进展，一点一滴的收获都是在指导教师**老师的亲切关怀和精心指导下完成的。**老师在选题、课题研究、论文撰写等方面都给予我极大的关心和支持，**老师为人和善，平易近人，同时严谨求实的治学态度、一丝不苟的科研作风和丰富的时间经验，为了树立了今后学习和工作的典范；**老师言传身教，严格要求，使我不仅在专业知识上收获颇丰，而且学会了一个科技工作者应具备的发现问题、分析问题、解决问题的思路和方法。在此，对**老师的辛勤培养致以崇高的敬意和忠心的感谢。同时还要衷心地感谢默默关心和支持我的父母，是你们无微不至的关心和一贯的支持使我能在工作学习上不断前进。4\n******大学本科生毕业论文附录1、PCB板4\n******大学本科生毕业论文2、电路图4\n******大学本科生毕业论文二维度运动控制系统***********内部资料仅供参考4\n******大学本科生毕业论文9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ^!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5ux^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmUE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5ux^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z8vG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ^!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^G89AmUE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5ux^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z8vG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ^!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQ@Gn8xp$R#͑Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz8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