《倒立摆电子设计》word版

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1、摘要本次竞赛C题的任务为设计并制作一个旋转式倒立摆，能够使摆杆做圆周运动，并且实现倒立功能。对此我们的作品采用自制支架，旋臂和摆杆。电机采用伺服电机，以STC12C5A60S2为控制芯片，利用精密塑料电位计测量摆杆转角，经过数学建模和多次数据采集建立模糊数学模型，利用PID实现对摆杆的实时控制。关键词：STC12C5A60S2塑料电位计PID控制器１９一、设计任务1、任务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下图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

2、转臂C的平面作自由旋转。2、基本要求（1）摆杆从出于自然下垂状态（摆角）开始，驱动电机带动旋转臂做往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过；（2）从摆杆出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）在摆杆出于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近位置，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。3、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１９倒立状态；（3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋

3、转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过角度达到或超过360°；（4）其他。二、系统方案1、系统结构旋转式倒立摆的机械结构主要包括旋臂、摆杆、直流减速电机以及角位移传感器部分。其中直流减速电机为执行机构，由电机驱动芯片L298驱动。旋臂和摆杆之间由角位移传感器连接，摆杆可绕旋臂在垂直平面内转动。旋臂和摆杆的角位移信号由角位移传感器测量的到，作为系统的输入量送入到控制其中，根据一定算法计算得到控制律并转化为电压信号提供给驱动芯片，来驱动直流减速电机转动，从而带动旋臂在水平面内旋转，最终实现控制摆杆直立的效果。2、方案比较与选择2.1机械结构模块旋臂质量m10.200Kg摆杆质量m20.052Kg旋臂长

4、度R1（R）0.20m摆杆长度R20.20m旋臂质心到转轴距离L10.01m摆杆质心到转轴距离L20.12m电机力矩-电压比Km0.0236Nm/V电机反电势-转速比Ke0.2865VS旋臂饶轴转动摩擦力系数F10.01NmS摆杆绕轴转动摩擦力矩系数F20.001NmS旋臂绕轴转动惯量J10.004Kg摆杆绕轴转动惯量J20.001Kg旋臂部分：材料不易变形，质量轻，转动灵便，因此采用铝合金板。摆杆部分：需要材料密度大，转动灵便，刚性好，最终使用碳纤维杆，并在端头加一配重。支架部分：稳定性好。2.2微控制器模块的论证与分析方案一：STC12C5A60S2单片机１９是单时钟/机器周期（1T）的单

5、片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250k/s,即25万次/秒），抗干扰性强，所以此类芯片控制电机时，对传感器信号的处理仍然很好，另外该类单片机价格也仅是略高于STC89C51系列单片机，具备更高的性价比。方案二：采用AVR系列单片机AVR系列单片机是一款具有增强型内置Flash的高速8位单片机。其采用精简指令集，功耗低，性价比高。ATMEGA16有16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM，1K字节的SRAM。但对于该题目其功能会有

6、大量冗余。方案三：采用可编程CPLDCPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。其采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高，且从使用及经济的角度考虑，此方案不是最佳选择。综上所述，选择方案一。2.3电机的论证与分析方案一：直流减速电机具有调速范围宽，线性特性好，起动转矩大，响应速度快，质量轻，体积小等优点，但存在减速箱，齿轮减速存在空程，不利于实现精确控制。方案二：步进电机具有能够直接实现数字控制，抗干扰性强，控制性能好，控制原理简

7、单，误差不长期累积等优点，但需要专门的电源和驱动器，采用普通驱动器时效率低，并且运动增量或步距角固定，承受惯性负载能力低，在低速运行时有可能发生震荡现象，体积较大。方案三：直流伺服电机伺服电机（servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号１