电设二报告模板-简易倒立摆设计报告(c题)

简易旋转倒立摆及控制装置（C题）（本科组）摘要简易旋转倒立摆是由一台电动机作为唯一动力源，带动转臂旋转并达到对摆杆转动角度、倒立平衡、抗干扰等状态的控制。该装置机械部分由支架、步进电机、旋转臂、转轴和摆杆组成，控制部分由C8051F020单片机开发板、步进电机驱动模块和角度传感器组成；机械部分由42HD0403步进电机提供动力，在其他部件的共同作用下通过机械联动带动摆杆做出满足相应要求的动作，控制模块在C8051F020的主控下采用PID闭环控制，通过对摆动杆当前转动角度的检测和判断，控制并实时调整步进电机转向和转速来实现摆杆的起摆，倒立平衡以及应对干扰修正摆杆的位置。经测试，本装置能较好的完成对摆杆运动状态的控制。关键词摆杆步进电机角度传感器PID闭环控制1系统方案11方案比较与选择111控制器模块方案一采用瑞萨R5F100LEA作为系统的主控模块，瑞萨芯片的最短指令执行时间可在高速至超低速之间更改，内置8/10位分辨率A/D转换器，但实时性不好，难以实现本装置中控制所需完成的实时性复杂算法；另外，增加的外围电路数据转换速度慢。方案二采用SILICONLABS公司的C8051F020单片机作为系统控制器。C8051F020系列单片机功耗低，具有处理能力强、速度高、编程灵活的优点。此外，它的开发环境方便高效，软件编程可以实现各种算法和逻辑控制，同时具有高性能的模拟技术和丰富的片上外围模块。且其系统工作稳定，具有很高的性价比。为了满足题目中各项要求，在电动机需带动摆杆高速转动的情况下完成对转动状态的实时监测并处理控制，则整个传感器信息采集处理和控制都需要在高速数据处理和系统高度稳定的前提下完成因此我们选定方案二。112电机的论证与选择方案一采用直流电机，利用直流电能直接驱动电机转动，控制电机的正转和反转达到控制目的，驱动模块简单，转速快。但是对于精确的速度和弧度控制难以实现，扭矩也较小。方案二采用步进电机，利用专用的驱动模块能够精确的实现角度以及速度控制，扭矩大，可以负载机械结构并提供足够的加速度,具有较大的静扭矩，无积累误差，在静态电流状态下能有效的锁定转动杆的位置，有利于精确控制转动杆旋转的位置。综合两种电机的优缺点，最后选用步距角为18度的二相42电机和安川4015数控驱动。42HD0403电机能够提供足够大的力矩和足够精确的角度控制。113电机驱动的论证与选择方案一采用LM298驱动模块，LM298是一种二相和四相电机的专用驱动器，内部包含四通道的逻辑驱动电路，但是用在二相步进电机上时，程序控制要在控制速度方向的同时给四个逻辑输入端产生脉冲信号，增大控制的负担。方案二采用安川4015数控板，适配二相步进电机，可根据输入的脉冲及方向信号自动驱动电机转动，控制简单，并且可以实现精确至1/64步距的精确控制。电流可控，可通过拨码实现精确的电流和步距控制。114角度传感器的论证与选择方案一采用基于ADXL335芯片的GY61三轴陀螺仪。GY61固定安装在摆杆上，通过XY轴的加速度变化来判断摆杆的转动角度。360度各个方向可测，质量很小，但需导线连接到控制系统，而且数字传感器易受杂波影响。方案二采用WDD35D4角度传感器。固定在转动杆一端，作为摆动杆的转轴，通过滑动电阻与总电阻之比计算偏移角度。优点是得到的是连续的数值，不易受干扰，而且摆杆上无电路，但是角度传感器存在断点，可测角度为0340。综合两种传感器的差别，最后决定采用WDD35D4，三轴陀螺仪需固定在摆杆上，陀螺仪引出的线路至单片机难以实现，且导线极易干扰摆杆的运动，对角度的实时测试结果造成巨大影响。12方案描述根据题目要求，此装置主要分为控制模块、信号检测模块、受控模块。控制部分主要有控制器模块；信号检测模块主要是角度传感器的角度检测；受控模块的核心是带动旋转杆的步进电机；对于各关键模块的实现，我们经过反复地对比、论证，最终组合每一模块相对更合适的方案成为如下整体结构。图1系统整体结构框图2理论分析长度一定的匀质轻杆作为摆杆和步进电机控制的旋转臂可以抽象为一个单摆系统，旋转臂为主动摆，摆杆为从动摆。摆杆具有固定的摆动频率，主动摆由电机控制绕圆周往复摆动，旋转臂在带动摆杆旋转的的时候，主动摆的震动频率与从动摆震动频率基本相同，从动摆的悬点受周期性变化的策动力的作用，从而产生摆动。3电路与程序设计31驱动电路设计311电机驱动设计本系统要驱动一个步进电机，因此采用一片CA_4015作为电机的驱动。CA_4015的CP引脚接到单片机的P02，接入控制脉冲，控制电机的转速；CA_4015的DIR引脚接到单片机的P03上，接入控制电平，控制电机的转动方向，使能ENA接控制使能端，控制电机的停转。通过对单片机的编程可以实现步进电机正反转与调速等功能。CA_4015与控制模块连接电路如图2所示。图2电机驱动原理图312摆杆状态监测摆杆状态监测为实时检测角度的角位移传感器。WDD35D4角位移传感器为精密性电阻式角度传感器，它的阻值范围为055K，即1,3脚间阻值为55K，线性精度为01，因此，角位移传感器的转轴旋转一圈，阻值变化55K，且阻值的变化与转轴转角大小成线性关系。因此可以将1,2或2,3脚间阻值转化为电压参数VOUT后，通过读取电压参数，得到传感器转过的角度。在实验中，我们将角度传感器的转轴与固定支架上的转轴连接起来，在摆杆摆动时，就可以实时地检测到摆杆与竖直方向的夹角。WDD35D4的原理图如图3所示图3角位移传感器WDD35D4原理图32程序设计321主程序结构本系统主程序实现2个主要功能摆杆由静止起摆，维持倒立状态并应对干扰。因此可以得出系统的总体程序结构与设计框图，利用角度传感器判断当前位置控制摆杆，如图4所示图4系统总程序流程图322步进电机驱动算法步进电机的工作需要同时输出脉冲信号和方向信号去控制转速和转向，输入脉冲信号频率不当会造成步进电机在运转时的振动和噪声，并且高速运转时电机扭矩减小，以高频脉冲直接驱动步进电机很容易造成失步，因此驱动脉冲信号必须由低频逐渐升高，而有低频到高频会导致旋转臂加速偏慢，难以达到带动摆杆旋转的目的。在试验过程中，测量出能够驱动电机的最高脉冲频率和能够使摆杆摆起最低起摆脉冲频率，通过控制系统的PCA模块实行频率的增长，成功达到了驱动电机运转和加速摆杆的目的。323PID控制算法PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力既系统的稳定性、快速性和准确性。摆杆倒立状态的利用PID闭环控制，角度传感器得到的电压值通过A/D转换进入控制系统，转换为角度值，取最近的三个角度值。P对应为摆杆当前的偏移角度，I对应最近三个角度值的平均值，即角速度，D对应三个角度值差值之差，即角加速度。PID控制的输入输出关系为3测试方案与测试结果31测试结果测试项目测试初始条件测试结果所需时间第一次次达到605S第二次次达到604S起摆，摆角超过60摆杆自然下垂第三次次达到606S第一次完成10S第二次完成7S起摆，完成圆周运动摆杆自然下垂第三次完成10S第一次保持5S5S第二次保持3S3S基本要求外力至拉至165，倒立5S扶至165，松手并打开开关第三次失败0S测试项目测试初始条件测试结果所需时间第一次保持5S25S第二次保持3S20S起摆，完成圆周运动摆杆自然下垂第三次失败16S发挥部分保持倒立，施加干保持倒立，施第一次成功2S第二次保持1S1S扰保持倒立或2S恢复加干扰第三次失败0S第一次完成1806S第二次完成602S保持倒立，旋转臂单方向转360保持倒立第三次完成1004S32结果分析摆动过程中当旋转臂的运动周期与摆杆的单摆周期基本一致时摆杆摆幅达到最大，此时若不能完成圆周运动，需几个周期调整再使两者周期达到一致。倒立过程的实时控制导致电机运转方向频繁改变，抖动厉害，摆杆受到干