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简易旋转倒立摆及控制装置 HEU-C-041 学校名称：哈尔滨工程大学 队长姓名：赵晓蕾 队员姓名：赵亮博 顾衍明 指导老师姓名：郑秀丽 2013年9月6日 摘要：本系统为一个简易旋转倒立摆及控制装置，由旋转倒立摆机械部分，角度测量模块，直流减速电机以及控制装置组成。能够控制旋转臂旋转并使连接在旋转臂上的摆针倒立。旋转臂的动力由一个直流减速电机提供，旋转臂的前端固定一精密测角位移电位器，并将摆针安装在电位器的轴上来测量摆针旋转的角度。摆针的角度作为控制装置的反馈量，控制装置通过PID控制算法来控制电机的转速与转向，最后来实现摆针的倒立。本系统结构简单，并采用导电塑料电阻体材料的精密测角位移电位器将转角变化变为电压变化，用一个TLC2543十二位AD采集后作为反馈量，简单易行。而且用低功耗的STM32芯片控制，处理速度更快。经测试，系统实现了全部基本功能。 关键词：倒立摆 角位移电位器 TLC2543 STM32 目录 1.设计任务与要求1 1.1设计任务2 1.2技术指标2 2.方案比较与论证 4 2.1各种方案比较与选择5 2.2方案论证5 3.系统硬件电路设计 4 3.1 AD模块电路设计5 3.2驱动模块电路设计5 3.2 STM32系统电路设计5 4.系统软件设计4 5.系统安装4 5.1 PCB的设计5 5.2机械部分设计6 6.系统测试4 6.1测试使用的仪器5 6.2 测试方案6 6.3 指标测试和测试结果6 6.4 结果分析6 7.结论4 参考文献4 附录1 主要元件清单4 附录2 程序清单4 1.设计任务与要求 设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端，当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自由旋转。 图1：旋转倒立摆结构示意图 1.2技术指标 基本要求： （1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~ +60°； （2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动； （3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动角度不大于90°。 发挥部分 发挥部分： （1）从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立状态时间不少于10s； （2）在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s内恢复倒立状态； （3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过角度达到或超过360°； 2 方案选择与论证 2.1方案比较 方案一：支架结构采用铝板为材料。将铝板折为支架结构，底部加重物，以使结构更加稳定，减小震动。A采用步进电机带动旋转臂C，电动机的转轴F处不加上角度传感器（电位器），而转轴D处不加电位器。 优缺点：对于要求（1）（2），属于开环控制，该结构较易实现，但是电机的精度应该适当提高，减小空程的影响。该方法成本较低，利于单片机控制。由于步进电机相对直流电机线性度不好，而且运行过程中有震动，不利于要求（3）的实现。 方案二：支架结构采用较为结实的铝板，将电机固定在箱体内，可以将利用的模块，诸如AD，驱动等放在箱体外，A采用直流电机，转轴F处角度传感器（提供反馈信号）。 优点：箱体结构可以将器件，导线放入其中，外观整洁，利于携带。直流电机响应快，线性度高，可以较为容易的实现（1）（2），并且空程较步进电机小，成本适中，角度传感器作用于反馈环节，有利于要求三的实现 。 缺点：直流电机的力矩可能达不到要求，不利于合适把握旋转臂以及摆杆的质量，长度等参数。 方案三：支架结构及器件布置方式与方案二相同，A采用直流力矩电机，同时转轴F处及转轴D处均放置角度传感器。 优点：箱体结构方便放置各个模块，外观整洁，便于携带。力矩电机可以提供大的转矩，而且其转速低，方便检测及控制，对于实现要求（1）（2）较容易实现。同时，转轴D，F处均有角度传感器，精度高，便于找到各个参数，实现闭环控制。 缺点：成本较高，直流力矩电机及两个角度传感器花费较多，而且对于有两个反馈量的闭环控制系统，建模也较为复杂，参数不利于求解。 2.2方案论证 方案一，由于步进电机及其支架结构振动，不利于实现要求（3）的闭环控制，该方案被淘汰