倒立摆系统的摆动控制

河南理工大学毕业设计（论文）任务书专业班级 自动化11-03班 学生姓名 胡长坤 一、题目 倒立摆系统的摆动控制 二、起止日期 年 月 日至 年 月 日三、主要任务与要求设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。（1）摆杆从出于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆倒立，保持倒立状态时间不少于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内恢复倒立状态；（3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过的角度达到或超过360度。 指导教师 职称 学院领导 签字（盖章）年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）评阅人评语题目 评 阅 人 职称 工作单位 年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）评定书题目 指导教师 职称 年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）答辩许可证答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：1、设计（论文）说明 共 页2、图纸 共 张3、指导教师意见 共 页4、评阅人意见 共 页经审查， 专业 班 同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。 指导教师 签字（盖章）年 月 日根据审查，准予参加答辩。答辩委员会主席（组长） 签字（盖章）年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议 学院 专业 班 同学的毕业设计（论文）于 年 月 日进行了答辩。根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。一、毕业设计（论文）的总评语二、毕业设计（论文）的总评成绩： 三、答辩组组长签名：答辩组成员签名：答辩委员会主席： 签字（盖章）年 月 日5河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘要倒立摆系统是一种多变量、高阶次、强耦合非线性的自然恒不稳定系统，控制比较复杂，但它能较好地体现出系统稳定性、可控性和抗干扰能力，因此应用非常广泛，例如航天领域里的火箭空中姿态调整、卫星太空中飞行姿态控制，机器人领域里机器人的自身平衡，另外智能平衡小车、工业控制、 军工等领域各类复杂的控制系统，往往也都是利用倒立摆的控制方法来实现。倒立摆已经成为测试控制理论是否有效的试金石， 也是产生新的控制方法的基础平台。本设计利用 32 位低功耗嵌入式芯片 STM32 作为主控制器、以增量 PID 和惯性起摆为控制算法的解决思路。通过连续多次采样角度传感器 WDD35D4，STM32将获取的数值进行增量 PID 计算并产生 PWM 信号，使 TB6560能够快速、平滑地驱动伺服电机，实现摆杆进入稳定的倒立状态。实践表明，该倒立摆稳定、可靠、运行平滑、抗干扰能力强，具有低成本、 低功耗等优点。【 关 键 词 】 旋转倒立摆; WDD35D4;STM32; PID; 惯性起摆; TB6560; 连续采样; IIAbstractInverted pendulum system is a multivariable, nonlinear and strong coupling nonlinear natural constant unstable system, control is more complex, but it can better reflect the system stability, controllability and anti-interference ability. Therefore, the application of Inverted pendulum system is very extensive, such as in the field of aerospace rocket flight attitude adjustment, satellite in space flight attitude control, in the field of robot self-balance, also all kinds of complicated control system for intelligent as car balance, industrial control, military and other fields, are often use the inverted pendulum control method to realize. Inverted pendulum control theory has become a touchstone to test whether effective, foundation platform is a new control method of production.This design uses 32 bit low power embedded chip STM32 as the main controller, with the incremental PID and inertial pendulum as the control algorithm to solve the idea. By repeatedly sampling angle sensor WDD35D4, STM32 obtained numerical of incremental PID calculation and PWM signal generation and enable TB6560 capable of fast and smooth to drive the stepper motor, the pendulum rod to stabilize the inverted state. The practice shows that the inverted pendulum is stable, reliable, smooth, anti-interference, and has the advantages of low cost and low power consumption.Key words: Rotary inverted pendulum,WDD35D4, STM32, PID, Continuous sampling.目录摘要IAbstractII1 绪论12 自由摆模型控制方案的选择22.1 PID控制方案22.2 机理建模方案33 电子器件的选型53.1 微处理器选型53.2 电机的选型53.3 角度传感器的选型53.4 电源的选型63.5 驱动模块选型73.6 滤波方式选择74 硬件部分设计84.1 STM32最小系统设计84.1.1 供电电路84.1.2 时钟电路104.1.3 复位电路104.1.4 下载电路114.1.5 启动电路114.2 其他相关电路设计124.2.1 AD采样电路：124.2.2 LED指示电路：124.3 角度传感器模块144.4 开关电源154.5 TB6560步进电机驱动器介绍174.5.1 驱动器接口和接线174.5.2 驱动整体参数设置205 软件部分设计225.1 WDD35D4程序设计245.2 电机控制255.2.1 起摆程序设计255.2.2 微调程序设计256 总结与展望27致谢28参考文献29附录一：STM32最小系统控制板电路图31附录二：STM32整体电路图32附录三：展示用供电电源整体电路图33附录四：控制系统核心程序34ii1 绪论目前，国内外对于倒立摆系统的控制方法研究可以总结如下：1 ）PID控制。通常的做法是通过对倒立摆系统物理模型进行力学分析，建立其动力学模型，设计出PID控制器实现稳定控制。但是由于PID参数的选择通常采用尝试法进行，根据设计者的经验不断尝试设定，因此往往不能从推理上给出令人满意的设计方案。2 ）可拓控制算法。可拓控制最早是由我国的王行愚教授于1991年提出的，其基本思想是：从信息转换的角度去处理控制问题，即以控制输出信息的合格度(关联度)作为确定输入矫正量的依据，从而使被控信息转换到合格范围内。目前国内外对可拓控制的研究还处于初始阶段，成果还不是很多，不过已经建立了可拓控制的基本理论和方法，随着研究的不断深入，它将会为人们解决复杂控制系统中的难题提供一种有效的方法。3 ）极点配置法。控制系统的稳定性和动态性能指标很大程度上取决于其闭环系统的零极点分布情况，因此，进行控制系统设计时，可以根据对系统性能指标的要求，通过选择适当的状态反馈矩阵，使闭环系统的极点配置在所期望的位置。4 ）LQR 控制方法。线性二次型最优控制问题即LQR问题，是20世纪60年代发展起来的一种普遍采用的最优控制系统设计方法，它可以归结为：当系统受扰偏离原平衡状态时，通过控制使系统状态保持在平衡位置附近，并使控制过程中的动态误差和能量消耗综合最优。5 ）其它智能控制算法。如模糊控制算法、神经网络控制算法、遗传控制算法等。另外，在倒立摆系统实际控制中，也常采用几种控制算法相结合的控制方式，这样可以充分利用各控制算法的优越性，来实现一种组合式的控制方法。这些控制方法都各有各的优点，同时也各有各的缺点，但总体看来都和PID控制算法离不开关系，都有其相通之处。很多新的设计方法也会产生，但都要经过实践的检验才能真正被广泛接受与应用。552 自由摆模型控制方案的选择2.1 PID控制方案在该设计中，PID算法的设计是很关键的一步，算法精确度选取的好坏，直接影响到系统运行的准确性。在比较自适应算法和PID算法后，采用PID算法。PID控制相应的控制算法式为（2-1）：u=Kpet+Ki0tetdt+Kddetdt+u0 =Kpet+1Ti0tetdt+Tddetdt+u0（2-1）式中控制端输出；u0偏差为零时u的初值；et调节器输入函数，即给定量与输出量的偏差；比例增益；积分时间常数；微分时间常数；将上式展开，函数可以分为比例控制，积分控制和微分控制三部分。核心控制其计算公式一般为离散分量，需要对差分方程作出近似处理后改为式（2-2）：0tetdt=j=0kTej 即 de(t)dt=ek-e(k-1)T （2-2）式中 T采样周期；K采样序号； et和et分别为第k-1和第k次控制周期的偏差。综合以上几个公式，可以得出差分公式为（2-3）：（2-3）其中， e(k) 为目标值与当前值之差，Kp 为比例系数，Ti 为积分时间常数， Td 为微分时间常数。Kp越大， 系统的灵敏度越高;但是，Kp过大很容易造成输出振荡和不稳定。Ti 能够减缓输出的快速变化， 从而降低超调的影响;但是，Ti 过大也会造成被控物理量在反馈信号急剧变化时难以迅速恢复的问题。 Td 可以根据信号变化的速率提前给出相应的调节动作， 从而缩短了调节时间， 克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。由uk- uk-1得增量PID公式(2-4)：uk=uk-uk-1=Kpek-ek-1+TTiek+Tdek-ek-1-ek-2T=Aek-Bek-1+Cek-2(2-4)其中：A=Kp 1+TTi+TdTB=Kp 1+2TdTC=Kp 2TdT2.2 机理建模方案倒立摆的运动方程的建立和分析方法主要有牛顿欧拉方法和拉格朗日方法。对于旋转倒立摆，目前多采用拉格朗日方法来获得系统的运动方程。设l1 为旋臂长度，l2 为摆杆质心到支点的距离，1 为旋臂与水平 x 轴的夹角，2为摆杆与垂直向上方向的夹角， 则非线性运动方程如下: 2=3g4l22+3l14l21 (2-5)采用角加速度作为输入， 可以获得旋转倒立摆系统的状态空间方程:Y=00100001000003g4l200Y + 0013l14l21 (2-6)Y=10000100X (2-7)根据旋转倒立摆的运动方程和空间方程，利用神经网络、遗传算法、LQR、模糊控制、分级逼近、根轨迹、频率响应、鲁棒控制、状态空间等方法就可以使得摆杆进入倒立状态。相对PID控制方案，机理建模主要依靠理论，不需要有太多的实践经验来求取PID参数。机理建模步骤：建立模型，列写传递函数，离散化，列差分方程，编写程序，有理可循。机理建模对实践经验较少者是一个不错的选择，但是机理建模方案对硬件部分要求甚高，而且建模误差较大，适合于理论研究。两种方案对比可知：采用PID控制方案更好些3 电子器件的选型3.1 微处理器选型方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89C51。 51 单片机价格便宜， 应用广泛， 简单，实用，资料多 ；但是51单片机运行速度很慢，I/0口的驱动能力弱，功耗比较高，抗干扰能力也不是很强。方案二：采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机，此款单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，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),针对电机控制，强干扰场合。方案三： 采用 TI 公司的 ARM Cortex-M3 内核处理器芯片STM32F103VCT6作为中央处理器，处理器本身带有 32 KB 的 bit-banded SRAM 和 96 KB 的 Flash 存储器，对于一般的控制应用，不需外扩数据程序存储器。为了达到更好的控制，选择用此单片机。3.2 电机的选型方案一： 采用直流减速电机控制旋转杆的运动，直流减速电机力矩大，转动速度快，但其制动能力差，对摆杆倒立时的微控制器能力差。方案二：采用 42BYJ25040 5V驱动的2相 4线制的步进电机。它是减速步进电机，体积小，减速比为 1：8，步进角为1.8度。它的主要特性有：步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性，能够实现精微控制。改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。方案三，舵机价格偏高，性能易受电压影响，控制旋转的角度精确度不高。鉴于设计要求，故采用方案二。3.3 角度传感器的选型角度检测模块也是系统的重要组成部分，我们需要利用角度传感器来测量 摆杆摆过的角度，该数据要传送给STM32F103VC控制器，经计算确定步进电机的下一个状态， 因此要求角度传感器精度高，频率快。 方案一：采用E6A2CW3C编码器，该编码器的转轴可随摆杆转动，并且输出脉冲，转轴每转一圈编码器输出500个脉冲，由此可实时测得摆杆转过的角度。 方案二：采用角速度传感器MMA7361，该传感器轻盈灵便，为多功能应用提供灵活的可选量程：包括 1.5g 和6g，功耗低，开机响应时间短其输出由X、Y、Z输出，噪音低、灵敏度高，通过多种端口都可以输出角度对应的采样值，但如果只是用单轴时要求重力加速度是必须是矢量。方案三：为了提高分辨率、 减小机械磨损， 采用非接触式(无触点霍尔式)角度传感器 WDX35D。它具有 360无盲区测量、 动态噪声小、 12 位分辨率、 旋转平滑性较好、 线性精度小于03%等优点。在满足设计要求的前提下，考虑到稳定性及之前有过这方面的资料等因素,我们选择了方案三。3.4 电源的选型本设计选择的是开关电源作为驱动模块的供电电源，因为开关电源具有变压器电源不具备的以下优点：（1） 功耗小，效率高。晶体管V在激励信号的激励下，可以交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快，由于使用的开关近体馆V功耗很小，电源的效率得到了大幅度提高，其效率可达到80%。（2） 体积小，重量轻。由于开关电源没有采用笨重的工频变压器，所以又生气了较大的散热片，所以开关电源体积可以很小，重量很轻。（3） 稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。（4） 滤波效率很高。鉴于滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍;即使采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/5001/1000。3.5 驱动模块选型驱动模块是自由摆系统的瓶颈所在。方案一：采用 L298N 等主流驱动模块。 由于驱动电流较小， 倒立控制的响应较慢， 不容易保持稳定。方案二：采用TB6560_3A步进电机驱动。TB6560具有以下功能和优点：功能：采用6N137高速光藕，保证高速不失步。内有低压关断、过热停车及过流保护电路，保证最优性能。额定最大输出为：3A，峰值3.5A。自动半流功能。细分：整步，半步，1/8步，1/16步，最大16细分。TB6560步进驱动还具有以下优点：电流级逐可调，自动半流可调。采用6N137高速光藕，保证高速不失步。电流采样电阻采用高精度、大功率电阻，保证电机稳定运行。对比可知方案二更好。3.6 滤波方式选择滤波方法有很多种，常用的有卡尔曼滤波，小波滤波，粒子滤波等，但每种滤波都有一定的应用领域，不能不考虑情况就选择。本设计的滤波模块采用的是软件滤波和硬件滤波相结合方案。在滤波过程中，除了检测原件即传感器单元自身带有的滤波外，在程序中还加入了滤波算法，具体为：去上去下求平均值。鉴于ARM芯片的高处理速度和自身带有的AD高采样速率的优点，对采样值进行多次采样，存储，然后排序，去掉一定数目的大值和一定数目的小值，然后对剩下部分取平均值作为采样值。4 硬件部分设计4.1 STM32最小系统设计STM32微处理器不能独立工作，必须提供外围相关电路，构成STM32最小系统。STM32最小系统包括四部分：供电电路，复位电路，时钟电路，下载电路。具体为：33V电源、8MHz晶振时钟、复位电路、数字和模拟间的去耦电路、调试接口、串行通信接口等电路。4.1.1 供电电路电路图如图4-1图4-1供电电路图平时调试时最小系统供电电源为USB供电，经AMS1117处理后可得3.3V电源供处理器实现其他功能时用。实物展示时用5V直流电源供电。AMS1117是一个正向压降稳压器，在1A电流下压降为1.2伏。固定输出可为3V , 3.3V ,5V。具有限流功能，过热切断功能，低漏失电压：1A输出电流是仅为1.2 V。AMS1117内部框图如图4-2：图4-2 AMS1117内部框图变压电路整流电路滤波电路电源指示部分220V交流输入稳压电路直流电压输出实物展示供电电路设计思路如框图4-3.图4-3 供电电路设计框图主要分为变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、电源指示五个部分。变压电路：将交流电网220V的电压变味所需要的电压值。整流电路：将交流电压变成脉动的直流电压。滤波电路：由于经过整流的脉动直流电压还含有较大的纹波，因此需要设计滤波电路加以滤除。稳压电路：在电网电压波动、负载和温度变化时，依然维持输出直流电压稳定。电源指示；显示当前的电路通断情况，方便了解电源当前的工作状况。整体电路图见附录三。4.1.2 时钟电路时钟电路如图4-4. （a） 晶振电路（b）时钟晶振电路图4-4 STM32系统板时钟电路4.1.3 复位电路复位电路如图4-5。图4-5 复位电路图4.1.4 下载电路下载电路图如图4-6。图4-6 USB下载电路图4.1.5 启动电路启动电路图设计如图4-7图4-7 启动电路图在STM32F10xxx里，可以通过BOOT1:0 引脚选择三种不同启动模式。根据选定的启动模式，主闪存存储器、系统存储器或SRAM 可以按照以下方式访问：（1）从主闪存存储器启动：主闪存存储器被映射到启动空间(0x0000 0000)，但仍然能够在它原有的地址(0x0800 0000) 访问它，即闪存存储器的内容可以在两个地址区域访问，0x0000 0000或0x0800 0000。（2）从系统存储器启动：系统存储器被映射到启动空间(0x0000 0000)，但仍然能够在它原有的地址(互联型产品原有地址为0x1FFF B000，其它产品原有地址为0x1FFF F000)访问它。 （3）从内置SRAM启动：只能在0x2000 0000 开始的地址区访问SRAM。注意：当从内置SRAM启动，在应用程序的初始化代码中，必须使用NVIC的异常表和偏移寄存器，重新映射向量表之SRAM中。 （STM32最小系统电路图见附录一）4.2 其他相关电路设计4.2.1 AD采样电路：AD采样电路如图4-7。图4-7 AD采样电路图此处R66就是WDD35D6的原理图，具体介绍见3.3角度采样模块。4.2.2 LED指示电路：如图4-8。图4-8 LED电路图TFT显示电路图如图4-9图 4-9 TFT显示电路图4.3 角度传感器模块WDD35D4模块原理：WDD35D4角度传感器特点如下：特点：多种电阻值可选，多种线性度可选，导电塑料基体，机械寿命长，动态噪声小，分辨率高，进口贵金属电刷，硬质铝合金外壳。WDD35D4接线图如图4-10：图4-10WDD35D4接线图WDD35D4分辨率高、 机械磨损小， 采用非接触式(无触点霍尔式)。它具有 360无盲区测量、 动态噪声小、 12 位分辨率、 旋转平滑性较好、 线性精度小于03%等优点。由其为电阻式传感器，可方便的侧得角度变化，进而进行角度调整。其降功耗曲线如图4-11：图 4-11 WDD35D4降功耗曲线图4.4 开关电源开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 开关式稳压电源的原理基本电路如图4-12：图 4-12 基本电路电路图（1） 工作原理：开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。 与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元（2） 主要类型：现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关 电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。（3） 主要用途:开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。（4） 发展方向：开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。 SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。（5） 优缺点：开关电源相对于线性电源来说显著的优点就是效率高。功率器件工作于开关状态,功耗小,因而开关源可对市电进行直接整流、滤波、调整后通过功率开关管进行调整,不需工频变压器;隔离式DCDC变换器使用变压器,但由于功率开关管开关频率高,所用变压器为高频器,功率相同的前提下,高频变压器比工频变压器要轻小很多;同时功率器件功率小,所需的散热器件也小;此外功率开关管开关频高,所需的电感电容数值较小;所以开关电源相对于线性电源来说体积小,重量轻,在这很多场合下更符合人们的需求。开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重干扰。4.5 TB6560步进电机驱动器介绍TB6560步进电机驱动器是一款具有高稳定性、可靠性和抗干扰性的经济型步进电机驱动器，适用于各种工业控制环境。该驱动器主要用于驱动35、39、42、57 型4、6、8线两相混合式步进电机。其细分数有4 种，最大16细分 ；其驱动电流范围为0.3A3A，输出电流共有14 档，电流的分辨率约为0.2A；具有自动半流，低压关断、过流保护和过热停车功能。适合各种中大型自动化设备，例如：雕刻机、切割机、包装机械、电子加工设备、自动装配设备等。TB6560驱动器采用差分式接口电路可适用于差分信号，单端共阴及共阳等接口，通过高速光耦进行隔离，允许接收长线驱动器，集电极开路和PNP输出电路的信号。在环境恶劣的场合，推荐用长线驱动器电路，抗干扰能力强。4.5.1 驱动器接口和接线输入脉冲与电机扭矩之间的关系如图4-13图 4-13 TB6560驱动输入脉冲与电机扭矩之间的关系图由图可以看出，在24V供电（本设计采用的电源电压）情况下，随着输入脉冲速率的增大，电机输出扭矩是成变小的趋势的，所以输入脉冲不可太大，否则会出现呼啸和堵转的现象。电机内部结构图如图4-14图 4-14 电机内部结构图步进电机驱动接线图如图4-15：图 4-15 步进电机驱动接线图电机为两相四线步进电机，四根驱动线对应四根电机线，任意同相的两根线交换顺序时，电机方向反向。本设计采用共阳极接法，共阳极接法控制电路图如图4-16：图 4-16 共阳极接法控制电路图共阴极接法主要特点是不用的引脚接地，使用端只要有高电平就能起到控制作用。电机具体控制说明：脉冲信号接PWM脉冲输出端口（本设计用的是stm32的PB6口），方向信号可通过另一端口的高低控制，高与低方向相反（本设计用的是stm32的PD1口）。使能端是电机控制的启停位，拉高则正常旋转，反之则停止转动（本设计用的是stm32的PD0口）。驱动电源选择的是DC24V开关电源，驱动与电机接线图如图4-17：图 4-17 驱动与电机接线图具体实物连线效果图如图4-18图4-18 具体实物连线效果图4.5.2 驱动整体参数设置运行电流设置由 SW1SW3、S1 四个拨码开关来设定驱动器输出电流，其输出电流共有14 档。由四线电机输出电流设成等于或略小于电机额定电流值及本设计采用的电机额定电流为1.5A的参数可知，四个参数值应设为“1 0 1 1” 。停止电流设置用户可通过S2 来设置驱动器的自动半流功能。“1”表示停止电流设为运行电流的20%，“0”表示停止电流设为运行电流的50%。一般用途中应将S2 设成“1”，使得电机和驱动器的发热减少，可靠性提高。(本设计设为“1”)细分设置由 S3S4 两个拨码开关来设定驱动器细分数，其共有4档细分。用户设定细分时，应先停止驱动器运行。具体细分数的设置，请看电路板面版图说明。(为提高控制精度，本设计系分数设为16分频，即S3，S4设为：“0 1”)衰减设置由 S5S6 两个拨码开关来设置衰减方式，衰减方式共有4档。选择不同的衰减方式，可获得更好的驱动效果。目前设置为：“0 0”。信号接口CLK和CLK为控制脉冲信号正端和负端；DIR和DIR为方向信号正端和负端；ENA和ENA为使能信号的正端和负端。（本设计采用共阳极接法，所以CLK+，DIR+，ENA+均接 +5 V）电机接口A和A接步进电机A 相绕组的正负端；B和B接步进电机B 相绕组的正负端。当A、B两相绕组调换时，可使电机方向反向。电源接口采用直流电源供电，供电电压范围为8V DC35V DC,建议使用24V DC供电。本设计使用24V/5A开关电源进行供电。指示灯红色指示灯为电源（POWER）指示灯，当驱动器上电后红灯常亮。绿色指示灯为运行（RUN）指示灯，该指示灯的亮度会随电机运行速度快慢的变化而变化，电机运行速度越快指示灯越亮。当电机停止时指示灯会常灭或者常亮。5 软件部分设计系统整体框图如图5-1：图 5-1 系统整体框图由采样模块测得摆杆初始位置，输入系统，判断角度在那个范围，选择执行相应控制方案（起摆还是微调），然后继续检测，判断，依此循环下去，直道达到控制要求，电机断电，一贯性保持平衡。有扰动时，判断扰动量级，选择控制方案，重新进入循环。PID算法实现：PID 控制系统的结构如图 5-2所示： 图 5-2 PID控制系统的结构从图中可以看出， PID 控制系统的核心思想是误差反馈和控制。也就是说， 将输出信号 out 反馈到输入端，与期望的目标信号 in 进行差值计算， 然后进行比例、 微分、 积分的运算， 最后产生新的输出控制信号。由于 PID 具有结构简单、 使用方便、 参数互相独立、 实用性强、 鲁棒性好等诸多优点， 因此是当今最流行的控制方法之一， 许多新的控制算法也是从PID的衍生算法或借鉴了PID的控制思想。PID 控制器可以划分为位置型、增量型、微分先行型等类型。在旋转倒立摆系统中，受控对象为伺服电机，应该采用增量型。首先， 增量型PID不需做误差的累加，对控制量的计算影响较小;其次，增量型PID得出的是控制的增量，误动作影响小，也可以通过逻辑判断限制或禁止本次输出，使得系统更加稳定。另外，增量型PID的计算量比较小，能大大加快计算的速度，对于实时性要求非常高的旋转倒立摆来说显然更为适合。PID控制子流程图如图5-3：图5-3 PID子流程图此处PID参数值计算用的是经验法，具体各参数在倒立摆系统中的值范围为多少可参考上面有关PID算法的实现。相关 PID 的结构和控制算法如下:struct PID PID 的结构int SetPoint;目标值， 本设计中 180折合2048int Proportion;比例常数， 1025， 本设计取值 14int Integral;积分常数， 110， 本设计取值 3int Derivative;微分常数， 3060， 本设计取值 46int LastError;上次误差int PrevError;当前误差; struct PID spid;int rout;输出 PID esponse (Output)int rin;反馈 PID Feedback (Input)int PIDCalc( struct PID * p，int NextPoint )PID 控制iError = pSetPoint NextPoint;增量计算return (pProportion * iError pIntegral* p LastError + pDerivative * p PrevEr-ror) ;PID 计算更新各变量5.1 WDD35D4程序设计WDD35D4程序流程图如图5-4：此部分设计相对简单，WDD35D4左右两端分别接3.3V和地，之所以接3.3V是因为我们要用到STM32控制器内部12位AD，而其内部自带的AD只能测小于3.3V的转换，否则采样所得结果将不准确甚至是错误结果。由AD采样值得到角度值的计算如式（5-1）：（5-1）WDD35D4_VOL=WDD35D4_AD*3604096图 5-4 WDD35D4程序流程图5.2 电机控制5.2.1起摆程序设计起摆程序设计流程图如图5-5：图 5-5 起摆程序设计流程图起摆是在摆杆角度和理想位置的角度相差太大时执行的程序，这部分程序可以在尽量短的时间内使摆杆达到和理想位置相近的位置，节省了调节过程相对很大一部分时间。5.2.2微调程序设计微调程序设计流程图如图5-6：图 5-6 微调程序设计流程图微调是在自由摆将要到达顶端时才运行的程序，顾名思义，此时电机不再大幅度旋转，只需要根据摆杆的角度调整相应的旋转方向及旋转速度，来减小或者保持摆杆与理想位置的夹角。6 总结与展望以 STM32 为控制器， 以惯性起摆和增量 PID为控制算法， 将角度传感器获取的数值进行计算，通过 PWM 信号控制 TB6560 驱动步进电机， 实现了旋转倒立摆系统的大部分功能。起摆过程电机大幅度旋转并突然停止，使得摆杆可以尽快达到顶部，接着进入微调程序，电机根据摆杆偏离中间（倒立）位置的角度，利用PID反馈回来的调节值，实时控制转轴F与摆杆E的位置关系。实践表明， 该旋转倒立摆具有稳定、 可靠、 运行平滑、 抗干扰能力强、 功耗较低、 价格低廉等优点。在此设计的基础上如果再用另一种传感器MMA7361（加速度传感器）相配合会达到更好地效果，另外后者价格也便宜，功能强大，测量精度高。利用MMA7361和WDD35D4相配合可以形成两级控制，使得控制调整更及时，效果将会更好。本设计采用的是PID控制，如果条件许可还可以尝试其他的控制方法，具体方法如本设计绪论部分。致谢历时近两个多月的时间终于将这个设计做完，在设计完成的过程中遇到了很多困难和障碍，都在同学和老师的帮助下克服了。尤其要强烈感谢我的设计指导老师宋运忠老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助我，给我排忧解难，每周一的开会辅导让我受益良多，每次遇到问题感到气馁想要放弃的时候，宋老师的鼓励都让我能重拾信心。另外，我的实物部分的顺利完成得益于工程训练中心林师傅的无私帮助，还有在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！本文引用了数位学者的研究文献，参考了很多电子设计大赛论文，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本设计。在此感谢这篇论文所涉及到的各位学者。感谢我的同学和朋友，尤其是电气专业的叶亚东同学，在我写论文的过程中给予我了很多素材，并在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正。参考文献1杨平，余杰编著.自动控制原理实验与实践.中国电力出版社,20052刘春生，吴庆宪主编. 现代控制工程基础.北京:科学出版社,2011.33姚舜才,温志明，黄刚编著.运动控制系统分析与应用.北京：国防工业出版社4刘建昌等编著，计算机控制系统.北京：科学出版社，20095王树青,戴连奎,于玲编著，过程控制工程.北京：化学工业出版社,2008.26 吴爱国,张小明,张钊.基于Lagrange方程建模的单级旋转倒立摆控制J.中国工程科学,2005.7邵瑞，张昌凡，黄宜山，等基于滑模观测器的环形倒立摆控制系统的设计与实现J测试技术学报， 2010.8王洪斌，安志银基于神经网络旋转二级倒立摆系统的预测控制J计算机仿真， 20109柳志远，张湘平基于遗传算法PID的旋转式倒立摆控制J计算机技术与发展， 200810谢慕君，王辉模糊趋近率的滑模控制在倒立摆系统中的应用研究J自动化技术与应用， 200811高兴泉，陈虹电机驱动力矩受限的旋转倒立摆保代价控制J吉林大学学报:工学版，201112罗天资，陈卫兵，邹豪，等直线电机模糊增量PID控制算法的研究J测控技术， 201113张朝阳,魏晓赟,王少峰.基于52单片机的旋转倒立摆的研究和与设计J.廊坊师范学院学报(自然科学版),2014.14 Du Gaixin,Huang Nanchen, Wu Gang. The rotational inverted-pendulum based on DSP controllerA.Proc of the 4th WorldCongress on Intelligent Control and AutomationC.ChinaShanghai,2002.15宋君烈,肖军,徐心和.倒立摆系统的Lagrange方