基于FPGA控制的懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“0”～“9”：數(shù)字輸入，用于設(shè)定一個坐標(biāo)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”：啟動鍵，用于所選運(yùn)行方式的開始運(yùn)行控制鍵。
“B”：復(fù)位，用于各項(xiàng)初始化。
“C”：確定鍵，用于設(shè)置、方式輸入值的確定。
“D”：停止，用于停止步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。
“E”：設(shè)置鍵，手動對位或任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)鍵，按上、下、左、右鍵進(jìn)行手動對位控制，再按確認(rèn)鍵確認(rèn)(圖4所示)。

“F”：方式鍵：首先按下方式鍵，然后按數(shù)字鍵選擇方式再確認(rèn)(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(shè)定的運(yùn)動。
方式3：畫圓，首先利用數(shù)字鍵設(shè)置圓半徑進(jìn)行確認(rèn)后，再按啟動鍵運(yùn)行。
方式4：定點(diǎn)運(yùn)動，首先利用數(shù)字鍵設(shè)置一個坐標(biāo)點(diǎn)的X，Y值進(jìn)行確認(rèn)后，再按啟動鍵運(yùn)行。
方式5：尋跡，首先讓物體運(yùn)行在軌跡起點(diǎn)，按下啟動鍵開始尋跡。
2．3 電機(jī)驅(qū)動模塊
采用功率驅(qū)動電路L298內(nèi)含4通道邏輯驅(qū)動電路，分別控制步進(jìn)電機(jī)四組線圈A，／A，B，／B通電與否。步進(jìn)電機(jī)的激磁信號則由智能型可編程邏輯器件開發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)KH-310試驗(yàn)平臺上的JP4的信號輸入控制，分別驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的A，／A，B，／B線圈，采用兩相激磁方式。
2．4 電機(jī)電路
電機(jī)是整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的主要載體之一，它的主要功能是通過對纏繞其上的繩子的伸縮來實(shí)現(xiàn)懸掛物體的運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)使用42BYG型號步進(jìn)電機(jī)，其原理是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，它的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與輸入的電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與輸入的電脈沖的頻率成正比，旋轉(zhuǎn)方向由脈沖的分配順序決定，可以通過控制脈沖個數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)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(dǎo)電玻璃之間，靠兩個電極間電場的驅(qū)動，引起液晶分子扭曲向列的電光效應(yīng)，在電源的開關(guān)之間控制光源透射或遮蔽，產(chǎn)生明暗兩種效果。本系統(tǒng)采用16×2 LCD液晶顯示屏作為人機(jī)對話的友好界面。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)物體所在坐標(biāo)和畫筆所畫線段的長度的動態(tài)顯示，并有輸入光標(biāo)跟隨和開機(jī)等待提示等人性化功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總流程相對比較簡單，采用VerilogHDL語言。為達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的控制精度和響應(yīng)時間，針對各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制算法。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

3．1 兩點(diǎn)運(yùn)動算法與實(shí)現(xiàn)
采用數(shù)學(xué)建模法，運(yùn)用幾何知識把物體運(yùn)動軌跡和兩個電機(jī)所在的位置聯(lián)系起來，通過坐標(biāo)用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來，并轉(zhuǎn)換成電機(jī)所要轉(zhuǎn)動的偏移量，最后把偏移量轉(zhuǎn)化為電機(jī)所要轉(zhuǎn)的速度。結(jié)合圖7說明，設(shè)L1為左繩在d點(diǎn)的線長，L2為右繩在d點(diǎn)的線長，L1'為左繩在e點(diǎn)的線長，L2'為右繩在e點(diǎn)的初始線長，被控對象物體的受限區(qū)域的頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為a(xa，ya)，b(xb，yb)， c(xc，yc)，o(0，0)，當(dāng)懸掛物從d點(diǎn)運(yùn)動到e點(diǎn)時，左繩和右繩的長短必然發(fā)生變化，電機(jī)M1的收放線長度為△L1，當(dāng)△L10，電機(jī)正轉(zhuǎn)；△L1>0時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)M2的收放線長度為△L2，當(dāng)△L20，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)△L2>0時，電機(jī)正轉(zhuǎn)。計(jì)算如下：

H=100 cm，x=15 cm，y=15 cm)