2013年全国大学生电子设计大赛论文--简易旋转倒立摆及控制装置(c题)

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1、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）【本科组】2013年9月6日II摘要本系统采用XS128单片机最小系统作为控制中心、与电机驱动模块，减速直流电机、旋转臂、摆杆、反馈装置一起构成摆杆角度和电机角速度的双闭环调速系统。由于直流电机属于一阶惯性，经分析在控制周期远小于电机时间常数的情况下建立电压与加速度的近似比例关系模型。选择减速直流电机带动旋转臂旋转，采用增量式旋转编码器测量摆杆的角度，单片机输出占空比可变的PWM波控制电机角加速度，从而控制电机的加速度和给摆杆固定轴心的扭矩，实

2、现控制摆杆的摆动幅度并达到和保持平衡状态。控制方式采用PID控制，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好的实现起振、圆周运动、倒立、360度倒立旋转，同时具有很好的抗扰动性能。关键词：XS128直流电机加速度倒立平衡II目录1系统方案11.1角度传感器模块的论证与选择11.2电机的论证与选择11.3电机驱动模块的论证与选择12理论分析与计算22.1机械结构设计的分析22.1.1摆杆22.1.2底座22.2电机物理模型的分析与计算22.2.

3、1直流电机的机械特性22.2.2直流电机的动态特性分析22.2.3直流电机加速度分析与计算32.3摆杆运动状态的分析及控制思路42.3.1摆杆起振42.3.2摆杆做圆周运动42.3.3摆杆达到倒立平衡状态42.4摆杆控制量的分析与计算42.4.1摆杆起振状态分析42.4.2摆杆进入开始调整倒立平衡的角度范围53电路与程序设计63.1电路的设计63.1.1系统总体框图63.1.2系统电路原理图63.1.3电机驱动模块的电路设计63.2程序的设计73.2.1程序功能描述与设计思路73.2.2程序流程图74测试方

4、案与测试结果114.1测试方案114.2测试条件与仪器114.3测试结果及分析114.3.1测试结果(数据)114.3.2测试分析与结论125总结12附件1：系统电路原理图14附件2：电机控制源程序15II简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】1系统方案本系统主要由主控模块、角度传感器模块、机械结构模块、电源模块等几部分组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1角度传感器模块的论证与选择方案一：采用绝对值式旋转编码器。绝对值式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有

5、关，而与测量的中间过程无关。但是绝对值式编码器体积和重量不太理想，安装后可能会对电机有较大的干扰，而且绝对值编码器相对昂贵，性价比不高。方案二：采用增量式编码器。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。增量式编码器不能定位，但是O位的确定可以通过软件解决，而且增量式编码器价格低廉易得，反馈的信号可以满足题目的要求。综合考虑以上两种方案，选择方案二，采用增量式编码器。1.2电机的论证与选择方案一：采用步进电机。步进电机将电脉冲信号转变为角位移，电机的

6、转速，停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，因此可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度。但是步进电机在高速运转下，开环会产生丢步的情况，开环控制情况不尽如人意，不是首选的电机。方案二：采用360度旋转舵机。舵机为随动系统，运动时可以外接较大的转动负载，输出扭矩大，而且抗抖动性很好。360度旋转舵机内置驱动电路，用单片机输出的信号可以直接驱动，接线方便，但是舵机的转速普遍很低，加速度不能达到理想的要求。方案三：采用带速度闭环的直流电机。我们对于直流电机的数学模型较为熟悉，而且能够比较精确地控制位

7、置，速度，和加速度，只要在选择直流电机型号的时候注意选择额定参数较大的电机，能够输出足够的转矩带动负载就可以达到要求。而且带速度闭环的直流电机可以综合考虑采用方案三。1.3电机驱动模块的论证与选择方案一：采用购买的L298N集成芯片，该集成电路带散热器和光电耦合器，可以保护单片机不受电机的影响，最大程度的保护单片机。但是经过我们连线调试之后，发现该种芯片一个致命的缺点，在PWM输入达到KHZ级别的时候，输出端24波形严重畸变甚至直接输出高电平，导致电路不能运行在所给的频率下，经分析可能是光耦本身截止频率就在

8、KHZ级别，一端输出大电压之后，带宽降低，不能满足要求。方案二：采用L298N芯片，自己制作L298N驱动模块，因为L298N驱动电路较简单，外围元器件低廉易得。在将自己制作的L298N电路连线调试之后，我们发现完全可以在程序要求的频率下工作，虽然死区电压有些不近人意，低速是电机会有抖动现象，但是总体来说，情况比较乐观。综合考虑采用方案二。主控模块采用XS128最小系统板，因为XS128作为飞思卡尔常用芯片，其P