简易旋转倒立摆及控制装置论

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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日摘要本系统要求设计并制作一个简易旋转倒立摆及控制装置。其中角度传感器WDD35D4电位计，直流伺服电机和单片机STC12C5A60S2最小系统是本系统的核心部分。利用电位计进行数据采集，在控制摆杆E旋转角度，旋轴D摆动速度是通过测试得到PID系数Kp，Ki，Kd，能够实现倒立摆系统的要求。将传感器的电位信号通过A/D转换送给单片机，并通过液晶显示屏显示读到的A/D值，PID输出，另加按键一起实现人机交互功能，最后实验

2、表明，系统达到了系统要求基本功能要求。关键词：倒立摆，电位计，单片机，PID闭环控制，液晶显示目录1系统方案11.1电源模块的论证与选择11.2电机驱动模块的论证与选择11.3角度检测模块的论证与选择1.4显示模块的论证与选择1.5电机的论证与选择1.6控制系统的论证与选择12系统理论分析与计算12.1系统可行性的分析12.1.1控制方案分析12.1.2角度传感器的分析12.1.3电机速度控制分析12.2摆杆角度有关的计算12.2.1电位计信号与摆角的换算12.2.2角度输出与PWM的换算12.3控制摆动时

3、间的计算22.3.1单摆周期的计算23电路与程序设计23.1电路的设计23.1.1系统总体框图23.1.2单片机子系统框图与电路原理图23.1.3电机驱动子系统框图与电路原理图23.1.4稳压电源子系统图与电路图3.1.5电源23.2程序的设计23.2.1程序功能描述与设计思路23.2.2程序流程图34测试方案与测试结果34.1测试方案34.2测试条件与仪器34.3测试结果及分析34.3.1测试结果(数据)34.3.2测试分析与结论4附录1：电路原理图5附录2：源程序6简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科

4、组】1系统方案本系统主要由电源模块、电机驱动模块、系统控制模块、角度传感器模块，显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1电源的论证与选择方案一：直接使用电池组供电，该电源随着使用电压不稳。方案二：采用开关电源效率高，但是需要购买，且比较贵。方案三：自行设计稳压电源模块给系统各部分供电，由于各稳压芯片不贵，而且电压可调，做好滤波设计，使用效果也不错。综合以上三种方案，选择方案三。1.2电机驱动的论证与选择方案一：自行搭建H桥，设计电机驱动，经过试验功率不大，切比较容易烧。方案二：使用电机驱动芯片BT

5、S7960两片并联，由于内部有自动睡眠可以防止由于功率过大时的发热烧毁芯片情况发生。而且最大输出电流达到64A。综合以上两种方案，选择方案二。1.3角度检测模块的论证与选择方案一：使用编码器来检测摆杆角度，但是编码器不易安装，而且控制起来也不是很方便，价格比较高。方案二：使用WDD35D4电位计，通过检测输出的电位信号转换成角度信号，能够无限权的旋转，反应灵敏，价格比较合适。　　　综合以上两种方案，选择方案二。1.4显示模块的论证与选择方案一：使用上位机观看数据，需要数据通信设置，由于使用的是ＳＴＣ单片机，

6、比较麻烦。方案二：使用１６０２液晶显示，但是显示的位数有限，只能显示３２个数字或字符，不能显示汉字。方案三：使用５１１１０液晶显示，能显示汉字，能显示的数据量大。　　　综合以上三种方案，选择方案三。1.5电机的论证与选择方案一：采用步进电机，由于最小的步进角不能很小，所以不能精确控制电机轴转过角度，不好控制转轴D。方案二：采用直流伺服电机，由于直流伺服电机控制精度高，速度能平滑控制，比较适合该系统保持倒立时的性能要求。综合考虑采用方案二。1.6控制系统的论证与选择方案一：选用At89c52单片机，由于该单片

7、机内部没有集成A/D转换电路，需要设计A/D转换电路模块，另外单片机没有集成PWM输出端口，调节电机需要用定时器模拟方波输出最多2位的PWM，是8位的单片机处理速度有些慢。方案二：选用STC12C5A60S2型单片机，该单片机是加强型51单片机，内部集成A/D转换电路，其中的PCA模块可通过程序设置使其工作于8位PWM模式。价格也不高。综合考虑采用方案二。2系统理论分析与计算2.1系统可行性的分析2.1.1控制方案的分析简单地开环控制，根据电位计输出信号来换算出PWM驱动电机转动，电机容易驱动转轴D错过摆杆

8、倒立位置，系统保持摆杆倒立不稳定。由于摆杆要倒立，就必须随着转轴D的转动而动，在摆杆倒立时距中心轴线偏角比较大时就需要加速保持倒立采用典型的PID闭环控制方法，闭环控制能够根据反馈信号知道摆杆和垂直位置偏差角度的大小输出相适应的PWM控制电机的速度尽快恢复倒立状态。单级倒立摆控制系统最经典的是PID控制方法，后续又出现LQR，模糊PID等一些控制方法，但是对于单级倒立摆经典的PID已经足够，对于多级倒立摆，如二级