2013年全国大学生电子设计竞赛 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4日12简易旋转倒立摆及控制装置摘要：本作品采用了TI公司MSP430单片机作为控制器，实现了简易旋转倒立控制系统。本作品选择两相四线步进电机作为旋转倒立摆的驱动装置，通过精密导电塑料角位移传感器获取摆杆的角度，实现对摆杆E运动状态的检测，以此角位移传感器的测量值作为反馈量，通过PID算法控制步进电机的运动方向和单位时间内运动的步数，实现对摆杆E角度的控制以及倒立摆的起摆和倒立平衡。本作品可以实现对E摆杆运动状

2、态的检测、倒立摆、起摆以及倒立摆的倒立平衡控制，具有起摆速度快、倒立摆平衡状态稳定、抗干扰能力强等特点。关键字：旋转倒立摆步进电机PID算法Abstract:ThispaperdescribesacontrolbasedonTI'sMSP430microcontrollersimplerotaryinvertedcontrolsystem.ThesystemusestheWestAnJiusheng57HS5608typetwo-phasefour-wiresteppermotorasthepow

3、ersourceofthesystem.InWDS35D4precisionconductiveplasticangulardisplacementsensorastheonlysensortorealizethesystemEpendulummotiondetection,andsothesensorfeedbackvalueastheamountoffeedbackthroughsoftwarealgorithmtodetermineEpendulummotionbychangingthest

4、eppermotorthesteeringandspeedtocontrolthestateofmotionofthependulumE.Testresultshadshowedthat:thesystemcanrealizetheEpendulummotiondetectionandcontrol.Andthesystemalsohasasimplestructure,enablingstrong,controlandstabilityadvantages.Keywords:Rotatingba

5、lancehandstandteppermotorangulardisplacement11一：系统方案1.1系统结构：本系统主要由以下几部分构成，包括：MSP430单片机、液晶显示模块、矩阵键盘模块、角位移传感器、步进电机驱动模块以及步进电机。其中，MSP430单片机作为主控制器实现对液晶显示模块、矩阵键盘模块的控制；其内部集成的12位ADC实现对角位移传感器的电压采样及转换；同时通过控制步进电机驱动模块实现对步进电机运动方向和运动步数的控制。为实现主控制器对步进电机驱动模块的控制，需要通过电平

6、匹配模块进行控制信号的电平转换和匹配；电平匹配模块由光耦实现。本作品简易旋转倒立摆及控制装置的系统结构框图如下：图1.1简易旋转倒立摆及控制装置系统结构框图1.2方案比较与选择：方案一：由TI公司的MSP430作为MCU，MSP430获取安装在E摆杆上的MPU6050陀螺仪传感器数据。MSP430经运算分析将控制信号输出至步进电机驱动器。驱动器控制步进电机的转速、步数、和旋转方向来控制C旋转臂以达到控制E摆杆运动状态的目的。方案二：由TI11公司的MSP430作为MCU，MSP430获取作为D转轴

7、的精密导电塑料角位移传感器的电压值来进行判断系统状态。MSP430经运算分析将控制信号输出至步进电机驱动器。驱动器控制步进电机的转速、步数、和旋转方向来控制C旋转臂以达到控制E摆杆运动状态的目的。由于E摆杆需要做圆周运动，并且需要其状态稳定性高，如果采用方案一会对系统布线带来很大的困难，并且在E摆杆上安装传感器会使其质地不均匀，增大控制难度。方案二采用精密导电塑料角位移传感器将D轴和传感器合二为一。精度高，存在<=3°测量死角，电路简单，布线方便。精密导电塑料角位移传感器测量死角问题可以通过机械结

8、构将测量死角调节至不需要测量的位置，不需要陀螺仪极高的精确度，机械结构布线较为容易。综合以上两种方案,选择方案二。二：理论分析与计算2.1电机选型：方案一：采用直流减速电机。直流减速具有推力大、传动刚度高、动态响应快、行程长度不受限制等特点。方案二：采用伺服电机。伺服电机是靠脉冲来定位的，电机接收到1个脉冲，会旋转1个脉冲对应的角度，同时电机本身发出一个脉冲与接收的脉冲相呼应，单片机则根据发出与接收到的脉冲对电机实现精确的转动。方案三：采用步进电机。步进电机是纯粹的数字控制电动机，