简易旋转倒立摆及控制装置电子竞赛论文.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛 C题： 简易旋转倒立摆及控制装置 参赛队号：01号 参赛队员：兰一星 向斌 涂先东 简易旋转倒立摆及控制装置 （C题） 摘要：本系统是基于MC9SXS128MAA飞思卡尔单片机为主控芯片的简易旋转倒立摆。该系统由直流电机模块、角度检测模块和信息处理模块构成，采用MC9SXS128MAA单片机实现信息的采集、处理与显示功能。通过调试出来的状态反馈阵配合以PID算法来实现了对直流电机精确控制以及实现摆杆的倒立。 关键词： MC9SXS128MAA 角度检测模块 PID算法 旋转倒立摆 Abstract: This system is based on Freescale microcontroller as the master chip MC9SXS128MAA simple rotary inverted pendulum. The system consists of DC motor module, angle detection module, and information processing modules, using MC9SXS128MAA MCU information collection, processing and display capabilities. Through out the state feedback matrix debugging with the PID algorithm to achieve a precise control of the DC motor and the realization of the inverted pendulum. Keywords: MC9SXS128MAA rotation angle detection module PID algorithm pendulum 一、系统方案 4 1.1系统结构 4 1.2方案对比与选择 4 二、理论分析与计算 5 2.1电动机选型 5 2.2 摆杆状态检测 5 2.3 驱动与控制算法 5 2.3.1 驱动 5 2.3.2 控制算法 6 三、 电路设计 8 3.1 单片机最小系统设计 8 3.2 电源模块 9 3.3 液晶电路 9 3.4 电机驱动电路 10 3.5 角度检测电路 11 四、 程序设计 12 4.1开发环境 12 4.2 程序结构流程图 12 4.3 软件PID算法 13 五、测试方案与测试结果 14 5.1 测试方案 14 5.2 测试结果 14 5.3 测试结果分析 15 六、结论与系统特色 15 参考文献： 15 附１ 16 一、系统方案 1.1系统结构 本系统的结构框图如图1-1所示： 图1-1 系统结构图 1.2方案对比与选择 方案一：采用MSP430单片机为主控芯片，利用陀螺仪和加速度计来检测摆杆的位置，用普通直流电机来控制摆臂的转动，配合模糊PID算法来计算电机的转向，摆杆选用刚性较大、质量较轻的材质，摆臂选用刚性较强、质量较轻的材质。 该方案采用了陀螺仪和加速计来检测摆杆的位置，系统能够狠准确的判断出摆杆的位置，加之摆杆较轻，摆杆很容易实现倒立，但是其变量较多，导致算法较为复杂，难于实现。此外摆杆较轻，虽说很容易实现倒立，但是要维持其平衡则较为困难。 方案二：采用MC9SXS128MAA飞思卡尔单片机为主控芯片，利用编码器来检测摆杆的位置，用步进电机来控制摆臂的转动，配合PID算法来计算电机的转向，摆杆选用刚性较大、质量较轻的材质，摆臂选用刚性较强、质量较重的材质；从而使摆杆实现倒立。 该方案采用编码器来检测摆杆的位置，系统能够的判断出摆杆运动的方向和位置，摆杆也能实现倒立。但是普通编码器用来判断摆杆的位置，精度不高，很难精确定位，并且编码器价格昂贵，导致成本较高。此外步进电机的响应太慢，对于倒立平衡控制也加大了难度。 方案三：采用MC9SXS128MAA飞思卡尔单片机为主控芯片，利用角度传感器来检测摆杆的位置，用普通直流电机来控制摆臂的转动，配合模糊PID算法来计算电机的转向，摆杆选用刚性较大、质量较轻的材质，摆臂选用刚性较强、质量稍微较重的材质；从而使摆杆实现倒立。 该方案采用了角度来检测摆杆的位置，系统能够准确判断出摆杆运动的方向和位置，摆杆很容易实现倒立。利用普通直流电机用来判断来控制摆杆，其响应速度快，成本也