电子设计大赛培训简易旋转倒立摆及其控制装置

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1、简易旋转倒立摆及其控制装置简易旋转倒立摆及其控制装置摘要本系统设计实现了一种单输入，单输出的旋转式倒立摆闭环控制系统。它通过改变伺服电机的转速来实现摆杆倒立，而摆杆的转角则作为调节电机转速的参数。本系统以MSP430F149单片机为控制核心，硬件包括电源模块，单片机控制模块、按键选择模块、数据显示模块、电机驱动模块、角度检测模块。首先由按键选择倒立摆的工作模式，单片机通过驱动控制电机的转速，改变摆杆的转角。编码器检测摆杆的转角，将数据反馈给单片机，单片机对数据进行分析处理后输出PFM波调节电机转速。软件部分应用C语言实现系统的基本功能，采用位置式PID控制算法进行数据处理。关

2、键词：旋转倒立摆；编码器；PID1方案论证与比较1.1系统总方案描述本系统主要包括电源模块，单片机控制模块，按键选择模块、电机驱动模块、角度检测模块和数据显示模块。系统以MSP430F149单片机为控制核心，采用36V直流电给驱动供电。由按键选择倒立摆的工作模式，单片机通过驱动控制电机转动，电机上装有20cm的旋转臂，电机高速旋转带动旋转臂。旋转臂与摆杆之间装编码器，编码器检测摆杆的转角，并将数据反馈给单片机，位置式PID控制算法对数据处理后，单片机输出PFM波控制驱动改变伺服电机的转速。图1-1为系统总体框图。图1-1系统总体框图控制模块的论证与比较方案一：采用51单片机作

3、为本系统的主控制芯片。51系列单片机功耗较高，8位微型处理器运算速度慢，无硬件乘法器，片内资源少。但价格低廉，使用简单。方案二：采用MSP430F149.单片机作为本系统的主控制芯片MSP430F149单片机德州仪器开发的一种超低功耗微控制器，它是一款16位单片机，内含12位快速ADC，只需外接一个电阻、一个电容即可实现高精度斜率A/D转换。并且具有运算速度快，精度高，执行能力强，中断源多等优点。-11-综上两种方案，MSP430F149单片机比51单片机运算速度快，精度高，处理能力强，功耗低，大大降低了复杂度，整个系统的性价比也很高，我们选择方案二。1.3电机驱动模块的论证

4、与比较1.3.1电机的选择与论证方案一：采用BLM57180伺服电机。BLM57180伺服电机具有良好的启动、制动和调速能力。可方便在宽范围内实现平滑无极调速。启动转矩大，转速快、易控制，但需要维护，会产生电磁波干扰，成本高.方案二：步进电机。步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。综上两种方案，倒立摆的控制需要电机有足够的扭矩，步进电机负载能力较小，虽然可以通过外加加速齿轮来实现，但比较费时费力。而BLM57180伺服电机虽然成本高，但性

5、能高，转矩大，适合本系统对电机的要求故选择方案二。1.3.1电机驱动的选择与论证方案一：采用THB6064H驱动模块。THB6064H是一款专业的PWM斩波两相步进电机驱动芯片。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。适合驱动57、86型步进电机。方案二：：采用以L298N为主芯片的驱动电路。L298N是ST公司生产的一种二相和四相电机的专用驱动器。L298N是可以承受高压大电流的双全桥式驱动器，输出电流大，功率大，可以同时控制两个电机，价格适中，是比较实用的电机驱动模块。方案三：采用ACS

6、606驱动。ACS606是一款简化接口的交流伺服驱动器，在控制接口方面提供脉冲、方向、使能三个信号，专为位置控制模式设计，额定转速达3000rpm，低速可达1rpm，全速度段高平稳低噪音，彻底解决步进丢步、发热、噪音等问题。综上三种方案，本系统采用ACS606驱动。因为我们选择了BLM57180伺服电机，而ACS606驱动是一款为伺服电机所设计的驱动，而L298N、THB6064H更适用于步进和直流电机。-11-1.4角度检测模块的论证与比较方案一：采用导电塑料角位移传感器WDS35D。WDS35D传感器采用特殊形状的转子和绕线线圈，模拟线性可变差动传感器的线性位移。WDS3

7、5D测量范围为0°～360°，输出电压范围输入电压有关，输出精度为1mv，测量精度为0.1°，线性度好，长期稳定性好，灵敏度高，可以实现对角位移的精确测量。方案二：采用型号为HN3860A5V1024的绝对值编码器。HN3860A5V1024绝对编码器由机械位置确定编码，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高。综上两种方案，WDS35D和HN3806A5V1024编码器都可以实现对角位移的精确测量，但HN380