基于FPGA控制的懸掛運動(dòng)控制系統設計

“0”～“9”：數字輸入，用于設定一個(gè)坐標點(diǎn)的X，Y值；而且鍵1、鍵2、鍵3、鍵4、鍵5、鍵6和鍵9具有第二功能。
“A”：?jiǎn)?dòng)鍵，用于所選運行方式的開(kāi)始運行控制鍵。
“B”：復位，用于各項初始化。
“C”：確定鍵，用于設置、方式輸入值的確定。
“D”：停止，用于停止步進(jìn)電機轉動(dòng)。
“E”：設置鍵，手動(dòng)對位或任意設定坐標點(diǎn)參數鍵，按上、下、左、右鍵進(jìn)行手動(dòng)對位控制，再按確認鍵確認(圖4所示)。

“F”：方式鍵：首先按下方式鍵，然后按數字鍵選擇方式再確認(如圖5所示)，方式有以下幾種：
方式1：歸位，讓物體自行回到原點(diǎn)。
方式2：做自行設定的運動(dòng)。
方式3：畫(huà)圓，首先利用數字鍵設置圓半徑進(jìn)行確認后，再按啟動(dòng)鍵運行。
方式4：定點(diǎn)運動(dòng)，首先利用數字鍵設置一個(gè)坐標點(diǎn)的X，Y值進(jìn)行確認后，再按啟動(dòng)鍵運行。
方式5：尋跡，首先讓物體運行在軌跡起點(diǎn)，按下啟動(dòng)鍵開(kāi)始尋跡。
2．3 電機驅動(dòng)模塊
采用功率驅動(dòng)電路L298內含4通道邏輯驅動(dòng)電路，分別控制步進(jìn)電機四組線(xiàn)圈A，／A，B，／B通電與否。步進(jìn)電機的激磁信號則由智能型可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)試驗系統KH-310試驗平臺上的JP4的信號輸入控制，分別驅動(dòng)步進(jìn)電機的A，／A，B，／B線(xiàn)圈，采用兩相激磁方式。
2．4 電機電路
電機是整個(gè)系統實(shí)現功能的主要載體之一，它的主要功能是通過(guò)對纏繞其上的繩子的伸縮來(lái)實(shí)現懸掛物體的運動(dòng)。步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。本系統使用42BYG型號步進(jìn)電機，其原理是將電脈沖信號轉換成角位移，它的轉子的轉角與輸入的電脈沖數成正比，轉速與輸入的電脈沖的頻率成正比，旋轉方向由脈沖的分配順序決定，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數控制步進(jìn)電機的角位移量，從而達到準確定位的目的。
2．5 顯示模塊
液晶顯示器是將液晶置于兩片導電玻璃之間，靠?jì)蓚€(gè)電極間電場(chǎng)的驅動(dòng)，引起液晶分子扭曲向列的電光效應，在電源的開(kāi)關(guān)之間控制光源透射或遮蔽，產(chǎn)生明暗兩種效果。本系統采用16×2 LCD液晶顯示屏作為人機對話(huà)的友好界面。系統設計實(shí)現物體所在坐標和畫(huà)筆所畫(huà)線(xiàn)段的長(cháng)度的動(dòng)態(tài)顯示，并有輸入光標跟隨和開(kāi)機等待提示等人性化功能。

3 系統軟件設計
設計系統的總流程相對比較簡(jiǎn)單，采用VerilogHDL語(yǔ)言。為達到設計指標的控制精度和響應時(shí)間，針對各項功能設計相應的控制算法。系統流程圖如圖6所示。

3．1 兩點(diǎn)運動(dòng)算法與實(shí)現
采用數學(xué)建模法，運用幾何知識把物體運動(dòng)軌跡和兩個(gè)電機所在的位置聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)坐標用數學(xué)表達式表示出來(lái)，并轉換成電機所要轉動(dòng)的偏移量，最后把偏移量轉化為電機所要轉的速度。結合圖7說(shuō)明，設L1為左繩在d點(diǎn)的線(xiàn)長(cháng)，L2為右繩在d點(diǎn)的線(xiàn)長(cháng)，L1'為左繩在e點(diǎn)的線(xiàn)長(cháng)，L2'為右繩在e點(diǎn)的初始線(xiàn)長(cháng)，被控對象物體的受限區域的頂點(diǎn)坐標分別為a(xa，ya)，b(xb，yb)， c(xc，yc)，o(0，0)，當懸掛物從d點(diǎn)運動(dòng)到e點(diǎn)時(shí)，左繩和右繩的長(cháng)短必然發(fā)生變化，電機M1的收放線(xiàn)長(cháng)度為△L1，當△L10，電機正轉；△L1>0時(shí)，電機反轉。電機M2的收放線(xiàn)長(cháng)度為△L2，當△L20，電機反轉；當△L2>0時(shí)，電機正轉。計算如下：

H=100 cm，x=15 cm，y=15 cm)