2011年国赛b题报告贺+肖

《2011年国赛b题报告贺+肖》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、基于自由摆的平摆控制系统（B题）【本科组】摘要：本控制系统采用增量式光电编码器作为角度传感器，结合LM3S9B95主控的QEI模块对角度进行高精度反馈，根据对于系统的物理模型的数学分析，控制器对反馈参数进行解算输出控制信号，实现对于控制系统的快速精确控制。系统使用自主设计的ARMCortex-M3最小系统、大功率线性电源、系统线性电源以及大功率高效率H桥驱动电路，控制系统实时性高、稳定性高、控制精度高，满足任务设计需要，基本实现设计功能。关键词：LM3S9B95角度传感器QEI模块1系统方案本系统主要由主控制器模块、传

2、感器模块、电机驱动模块、系统电源模块、人机交互模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1主控制器的论证与选择方案一：采用MSP430低功耗单片机。MSP430系列单片机是TI公司的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机具有超低功耗的特点，多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中，在本控制系统中对于电机控制精度要求高，对于物理模型的数学计算能力要求较高，MSP430系列单片

3、机在计算控制方面能力相对较差，不适合对电机进行专业控制。方案二：采用TI高性能TMS320F2812对平摆控制系统进行控制。TMS320F2812作为工业级电机专用控制器，具有多路电机控制专用集成硬件模块，同时兼顾DSP运算能力以及MCU控制能力，具有成熟的电机应用解决方案。但TMS320F2812价格高昂，最小系统对硬件电路要求较高，适用性不强，已经逐渐淡出市场。方案三：采用TI基于ARM Cortex -M3的Stellaris系列微处理器LM3S9B95。ARM采用精简指令集，具有体积小、功耗低、成本低、性能高的

4、优点，Cortex-M3内核具有极高的运算能力和极强的终端响应能力。LM3S9B95具有专用电机控制PWM模块，具有基于增量式光电编码器的QEI检测模块，同时，LM3S9B95的集成调试功能可以实现快速验证，在本控制系统的设计中既能实现告诉高精度采样，又能对反馈参数和控制参数进行高精度高速度运算，从而能够实现迅速准确的控制。综合以上三种方案，选择方案三。1.2传感器的论证与选择方案一：采用电位器式角度传感器。电位器式角度传感器需要外置AD采样电路，在实现高速高精度采样时对传感器硬件电路要求严格，并且接触式角度传感器受时

5、间、摩擦等因素的影响较大，不适合系统的持续稳定控制。方案二：采用倾角传感器MMA7260QT。倾角传感器在速度较慢的调整过程中能够快速准确地反馈倾角变化量，但是MMA7260QT等倾角传感器本身是一种加速度传感器，在实际应用中反馈的是加速度的是三轴向加速度，本控制系统中需要精确的角度反馈，且系统在自由摆动过程中加速度是告诉变化的，不能精确测量倾角。方案三：采用增量式光电编码器作为角度传感器。9增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由

6、编码器光栅的线数决定。需要提高分辨率时，可利用90度相位差的A、B两路信号进行倍频或更换高分辨率编码器。光电编码器精度高，稳定性强，与控制器专用QEI模块结合可实现高精度反馈控制。综合以上三种方案，选择方案三。1.3电机的论证与选择方案一：采用步进电机。步进电机能够准确控制步进角，能够精准实现开环控制。但同时由于最小步进角精度较低，起步和停步时容易出现失步和约步，在系统中控制精度较低，且转速不足，导致控制能力不强。方案二：使用舵机。舵机同样能够实现精确摆角控制，但是大部分舵机不能实现360度多圈转动，不能满足本次设计要

7、求。方案三：采用带有高精度光电编码器的减速直流电机。本方案不仅能够提供高精度的角度反馈，同时能够提供足够的控制能力，在本次设计中结合控制器的QEI模块能够简单快速实现高精度控制。综合考虑采用方案三。1.4电机驱动的论证与选择方案一：采用电机驱动集成芯片L298N。L298N是双全桥步进电机专用驱动芯片，可同时驱动两个普通直流电机，电路简单，使用方便。但是L298N效率低，发热量高，不适用于大功率控制场合。方案二：采用MOS管搭建H桥驱动电路。自行设计的H桥驱动电路，带负载能力强，耐压高，驱动能力强效率高。结合高速光耦6

8、N137能够实现高速PWM控制，为选择的直流减速电机提供专用驱动器。综合考虑采用方案二。2系统理论分析与计算2.1自由摆及平板的力学分析计算2.1.1自由摆的力学分析如图1所示为自由摆平板速度和角度之间关系，平板中心沿垂直于自由摆方向进行圆周运动，则有可知道速度中心速度v。中心加速度为dv/dt，此加速度沿平板和垂直于平板方向分解