簡易旋转倒立摆及控制装置专业论文.docVIP

2013年全国大学生电子设计竞赛 简易旋转倒立摆及控制装置（C题） 2013年9月7日 摘 要 简易旋转倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。此系统包括机械部分和控制部分。机械部分包括固定台、旋转臂、摆杆、转轴等。控制部分包括主控芯片、精密变阻器、电机等。主控芯片选用MSP430单片机，其输出PWM（脉冲调宽）和DIR（方向）信号到电机驱动电路，使旋转臂转动，并带动摆杆运动，精密变阻器WDD35D-4测量旋臂和摆杆的偏转角度的信号变化，送给主控芯片，经过A/D转换后，根据一定的状态反馈控制算法计算出控制律，单片机根据拟定的控制律计算出必要的数字控制信号，经过D/A转换,调节PWM和DIR的输出，使电机转动，带动旋转臂运动，使摆杆转动。经测试，整体功能齐全，灵敏度、抗干扰性、准确度等各项性能指标均达到设计要求。 关键字：旋转倒立摆系统、MSP430单片机、精密变阻器WDD35D-4 目 录 1系统方案 1 1.1 处理器的论证与选择 1 1.2 传感器的论证与选择 1 1.3 电机的论证与选择 1 1.4 电机驱动的论证与选择 2 2系统理论分析与计算 3 2.1电机选型的分析 3 2.1.1 直流电机模型 3 2.1.2 PWM电机调速原理 3 2.1.3 直流电机的选定 4 2.2 摆杆状态检测的计算 5 2.2.1 摆杆摆起的算法 5 2.2.2 摆杆保持平衡的算法 6 2.2.3 抗干扰 6 2.3 PID控制算法的计算 6 2.3.1 PID控制原理如图 6 2.3.1 比例环节 6 2.3.2 积分环节 6 2.3.3 微分环节 7 3电路与程序设计 8 3.1电路的设计 8 3.1.1旋转倒立摆系统总体框图 8 3.1.2 硬件电路子系统框图与电路原理图 8 3.1.3 光电传感器子系统框图与电路原理图 9 3.1.4电源 10 3.2程序的设计 11 3.2.1程序功能描述与设计思路 11 3.2.2程序流程图 12 4测试方案与测试结果 16 4.1测试方案 16 4.2 测试条件与仪器 17 4.3 测试结果及分析 18 4.3.1测试结果(数据) 18 4.3.2测试分析与结论 18 参考文献 19 附录1：电路原理图 20 附录2：源程序 21 简易旋转倒立摆及控制装置（C题） 1系统方案 本系统主要由处理器模块、传感器模块、电机驱动模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 处理器的论证与选择 方案一：ARM处理器。采用ARM 处理器进行数据处理，ARM处理器处理数据比较高，、而且端口比较多，可以处理多个任务。但是ＡＲＭ价格高，入门比较困难，熟练掌握比较困难，学习周期比较长，而且在旋转倒立摆工作过程中，处理的数据量不是很大，过多的IO口反而不利于控制。 方案二：采用AT89S52单片机作为系统控制中心。51系列单片机是单片机中的经典,是8位单片机,具有32个I/O接口,虽然价格低廉、性能稳定、使用方便、外围电路成熟,但是内部资源相对较少,运行速度慢,功能较为单一，ROM空间不足。 方案三：采用MSP430系列单片机作为系统控制中心。MSP430系列单片机是一个16位,具有精简指令集,低功耗的混合型单片机,功能相比51系列单片机要强大,运行速度要快,但内部结构比较复杂,它只能用在3.3V环境下,与一些5V器件相连需要考虑电平是否兼容的问题。 综合以上分析，MSP430功耗小、运行速度快、内存大，更适合设计要求，所以选择方案三。 1.2 传感器的论证与选择 方案一：精密变阻器。旋转臂和摆杆通过精密变阻器相连，电动机转动带动旋转臂运动，变阻器转轴改变，从而改变电压，送到主控芯片，通过相应运算转换，来控制摆杆摆动的角度。精密变阻器数据比较稳，易于控制，灵敏度也较高。 方案二：角度传感器。它的身体中有一个孔，可以安装一个轴，轴没转动一次，角度传感器就会计数一次，往一个方向转时，计数增加，往相反方向转时，计数减少。角度传感器的精度不够高。 综合以上分析，由于角度传感器不如精密传感器灵敏度高，且精密传感器阻值可选、线性度可选，精度较高，所以选择方案一。 1.3 电机的论证与选择 方案一：采用步进电机，它是通过输入脉冲信号来进行控制的、电机的总转动角度由输入脉冲数决定、电机的转速由脉冲信号频率决定，，虽然其转动角度容易控制，但在转轴连接外部重物较重时步进电机容易失步现象，且工作时震动较大，不利于平衡。 方案二：采用普通小型直流电机。普通直流电机，调速范围广，且易于平滑调节，起动、制动转矩大易于控制，可靠性高，转动灵敏且转速易于控制，调速时的能量损耗较小。 综合以上分析，直流电机力矩