基于ARM的倒立摆系统毕业设计.doc

基于ARM的倒立摆系统毕业设计目 录第一章 倒立摆系统概述11.1倒立摆系统的基本概念11.2倒立摆控制模型及其原理简介11.3倒立摆系统的应用和稳定性研究的意义31.4国内外研究现状和新趋势31.4.1倒立摆控制的现状和新趋势31.4.2 实时仿真的研究现状41.5本课题的研究内容5第二章 单级倒立摆控制系统硬件设计72.1 系统总体设计方案72.1.1 系统的总体结构72.1.2 控制系统机械结构设计92.2 倒立摆的控制要求92.3 倒立摆系统中通讯控制系统的选型102.4 ARM最小系统102.5 直流电机及其驱动电路132.5.1 直流电机的结构及原理132.5.2 电机驱动电路的设计142.6 传感器的选择162.6.1 旋转编码器的选型182.7 红外线检测反馈192.8 小车限位开关20第三章 直线一级倒立摆的建模分析223.1 一阶倒立摆总体分析223.1.1 模型参数说明223.1.2 模型牛顿定律受力分析233.2 模型受力传递函数243.3 模型的状态空间方程253.4 系统分析26第四章 倒立摆控制系统的算法研究比较284.1 倒立摆系统的PID控制算法设计284.1.1 理论分析284.1.2 仿真实验314.2 倒立摆系统控制算法的状态空间法设计324.2.1 LQR控制器设计与调节324.3 分阶段起摆的控制实现364.3.1 分阶段起摆及其稳摆控制器的设计364.3.2 小车位置跟踪40第五章 单级倒立摆控制系统的软件设计415.1 开发软件系统介绍415.1.1 ADS集成开发环境及EasyJTAG仿真器的使用415.1.2 ADS1.2集成开发环境的组成425.1.3 EasyJTAG仿真器简介435.2 ARM总体设计及流程图445.2.1 系统初始化模块445.2.2 数据采集及滤波模块455.2.3 串口通信模块465.2.4 倒立摆倒立平衡控制控制计算实现465.3 控制倒立摆起摆的程序485.3 安全检测495.4 采样周期选择495.5 仿真结果和实际控制情况比较49第六章 总结和展望516.1 研究总结516.2 研究展望51参考文献52致 谢55附录一 L298芯片57附录二 外围电路58附录三 ARM2131开发板及其倒立摆实物图59附录四 程序清单614江西理工大学2007届本科毕业设计（论文）第一章 倒立摆系统概述1.1 倒立摆系统的基本概念倒立摆是典型的非线性控制系统，它的控制原理是步行机器人的研究基础，也是典型机器人手臂的模型。由于它的严重非线性和高阶次，它可以用来研究各种控制算法。现实生活中有很多现象都是一个倒立摆的模型，比如说搬运火箭的发射车、行驶的自行车甚至直立的人。既然实际生活中存在着如此多的倒立摆现象，研究倒立摆的控制算法也就有着广泛的应用。倒立摆控制理论产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面具有广阔的开发利用前景。倒立摆按照运动方式分为直线运动的小车式倒立摆和旋转式倒立摆。小车式倒立摆通过控制小车的运动速度，改变小车和小车上的倒立摆之间的相对速度，使倒立摆维持在平衡状态。本文研究的便是直线运动的小车式倒立摆。旋转式倒立摆通过控制电机的旋转速度控制旋臂的角度位置和速度，从而控制摆杆的平衡。倒立摆按照摆臂的级数分为单级倒立摆、二级倒立摆、多级倒立摆。随着级数的增长，倒立摆的模型也越来越复杂，非线性程度越来越大，其控制也越来越困难。单级倒立摆是研究多级倒立摆的基础。倒立摆还可以根据摆杆的刚性程度分为刚性摆杆的倒立摆和柔性摆杆的倒立摆。刚性杆的倒立摆可以根据牛顿力学方程和能量守恒定律建立系统的模型，而柔性杆的倒立摆则随着杆的柔性系数的变化而成为变结构的倒立摆，其精确模型的建立比较困难。卫星的太阳能电池的接收翼便是柔性杆的例子。倒立摆控制算法的研究包括：变结构控制、拟人的智能控制算法、模糊遗传控制算法以及预测控制等。这些算法都有一个共同点：不需要精确的数学模型。这是由于多级倒立摆模型的非线性，对它建立精确的模型是不可能的，也是没有意义的，在这种模型上的控制就更加不确定。而对倒立摆所作的硬件应用研究并不是很多，大部分是PC机控制的倒立摆，算法大多在MATLAB中实现。倒立摆作为一种实验装置，具有直观、形象、简单的特点，而且其形状和参数都易于改变。但是作为一个被控对象，它同时又是一个相当复杂的、高阶次、多变量、非线性、强耦合、不确定的绝对不稳定系统，必须施加十分经典而具有挑战性的问题，许多新的实时控制理论都通过倒立摆控制试验来加以验证。从工程背景来讲，小到日常生活中所见到的各种重心在上、支点在下的物体的稳定问题，大到火箭的垂直发射控制等关键技术问题，都与倒立摆控制有很大的相似性。因此，倒立摆成为控制领域中经久不衰的研究课题，有人将它喻为“任何一个自动控制部门追求的皇冠上的明珠”。简单的一级倒立摆可以用于自动控制的教学实验，而复杂的两级、三级倒立摆则可以用于更为复杂而有效的实时控制算法研究的验证手段。1.2 倒立摆控制模型及其原理简介倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的自然不稳定系统。在控制过程中能反映控制中的许多关键的问题，如镇定问题2、非线性问题3、鲁捧性问题4、随动问题5以及跟踪问题6等。各国专家学者在这一领域进行了长期不懈的研究和探索。倒立摆的智能控制方法有模糊控制7，神经网络控制1，云理论8，仿人智能控制1等等。倒立摆的种类很多，有悬挂式倒立摆、平行式倒立摆和球平衡式倒立摆；倒立摆的级数有一级、二级、三级、四级；倒立摆的运动轨道可以是水平或倾斜；控制电机可以是单电机或多电机。常用的水平导轨的、单电机的、单级或多级倒立摆系统。本文介绍的一级倒立摆系统所采用的基本结构是，在一条轨道上控制驱动一个小车和一个与小车自由连接的摆杆组成的车一摆系统。小车可以在有限长的导轨上自由移动，同时摆杆在垂直的平面内自由转动，如图1-1所示。我们知道倒立的机械摆是一个不稳定的系统，很难竖立而不到。但我们可以通过电机控制驱动小车的在导轨上运动，就有可能使摆杆稳定在垂直向上的平衡位置。图1-1一级倒立摆的结构原理图图1-2 一级倒立摆闭环控制系统如图1-2所示，该系统由计算机、运动控制卡、驱动电机、伺服机构、倒立摆本体和光电码盘等几部分组成了一个闭环系统，传感器如光电码盘将小车的位移信号、摆速度信号反馈给伺服驱动器和运动控制卡，摆杆的角度信号、速度信号由光电码盘也反馈回运动控制卡。计算机从运动制卡中读取实时数据，确定控制决策(小车向哪个方向移动、移动速度、加速度等)，并实现该控制决策，产生相应的控制量，即基于这些信息和控制算法得到电机的电压控制量，使电机带动小车运动保持各级摆杆平衡。本设计的控制卡采用的就是ARM2131微控制器，检测仪器采用红外线检测小车运动的位移信号，反馈到控制器中。控制器经过计算得到控制力驱动电机来控制倒立摆的起摆和稳摆。1.3 倒立摆系统的应用和稳定性研究的意义在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。倒立摆系统作为一种控制装置，它结构简单、价格低廉、便于模拟和实现多种不同的控制方法。作为一个被控对象，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的快速系统，因此只有采用行之有效的控制策略，才能使其稳定。倒立摆系统可以用多种理论和方法来实现其稳定控制，如PID、自适应、状态反馈、智能控制模糊控制及人工神经元网络8等都能在倒立摆系统控制上得以实现而且当一种新的控制理论和方法提出以后，在不能用理论加以严格证明时，可以考虑通过倒立摆装置来验证其正确性和实用性。倒立摆系统在控制系统研究中受到普遍重视，“倒立摆系统”已被公认为自动控制理论中的典型试验设备，也是控制理论在教学和研究中不可多得的典型物理模型。通过对倒立摆系统的研究不仅可以解决控制中的理论问题还能将控制理论所涉及的三个基础学科：力学、数学和控制理论(含计算机)有机的结合起来,在倒立摆系统中进行综合应用9。在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及在实际应用中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证这一理论，倒立摆就是这样一个被控对象。倒立摆本身是一个自然不稳定体，在控制过程中能够有效地反映控制中的许多关键问题。倒立摆的典型性在于：作为一个受控装置，成本低廉，结构简单，形象直观，便于实现模拟和数字两者不同的方式的控制；作为一个被控对象，又相当复杂，只有采取行之有效的控制方法方能使之稳定。对倒立摆系统进行控制，其稳定效果非常明了，可以通过摆动角度、位移和稳定时间直接度量，控制好坏一目了然。理论是工程的先导，对倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。空间飞行器和各类伺服云台的稳定，都和倒立摆的控制有很大的相似性。其它如海上钻井平台的稳定控制、卫星发射架的稳、定控制火箭姿态控制、飞机安全着陆、化工过程控制等都属于这类问题。因此对倒立摆机理的研究具有重要的理论和实际意义。1.4 国内外研究现状和新趋势1.4.1 倒立摆控制的现状和新趋势多年来，人们对倒立摆的研究越来越感兴趣，倒立摆的种类也由简单的单级倒立摆发展随着科学技术的迅速发展，新的控制方法不断出现，多年来，人们对倒立摆的研究越来越感兴趣，倒立摆的种类也由简单的单级倒立摆发展为多种形式的倒置系统，原因不仅在于倒置系统在高科技领域的广泛应用，而且在于新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个严格的控制对象检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，对倒置系统的研究在理论上和方法论上均有深远的意义。古典控制理论和现代控制理论的主要特征是基于模型的控制。古典控制理论主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法，能够很好地解决单输入单输出问题。古典控制理论所研究的系统多半是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量。现代控制理论采用状态反馈法，把经典控制理论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程。这种方法可以解决多输入多输出系统的问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。经典控制理论提供了解决单输入单输出系统的控制方法。根据对系统的力学分析，应用牛顿第二定律，建立小车在水平方向运动和摆杆旋转运动的方程，并进行线性化，拉氏变换，得出传递函数，从而得到零、极点分布情况。根据使闭环系统能稳定工作的思想设计控制器，需引入适当的反馈，使闭环系统特征方程的根都位于左平面上。用经典控制理论的频域法设计非最小相位系统的控制器并不需要十分精确的对象数学模型。因为只要控制器使系统具有充分大的相位裕量，就能获得系统参数在很宽范围内的稳定性。现代控制理论与经典控制理论相比有较强的系统性，从分析、设计到综合都有比较完整的理论和方法。据目前国内外已有资料来看，已有用现代控制理论方法解决倒立摆平衡问题的记载10-13，本文就是用现代控制的状态反馈法设计稳定控制器的。随着科学技术的发展，被控对象日趋复杂，对控制性能的要求不断提高，使传统控制理论面临新的挑战。众所周知，被控对象愈复杂，数学模型愈难精确。加上系统本身的非线性以及某些不确定性，针对线性化模型进行控制系统设计的各种理论对解决这些复杂系统无能为力。在这样复杂对象的控制问题面前，人们把人工智能的方法引入控制系统，得到控制上的新突破。相应的模糊控制和神经网络控制是智能控制的重要方面，它们对倒立摆系统控制上起到了很大的作用。模糊逻辑控制通过确定模糊规则，设计出模糊控制器实现对倒立摆的控制。由于模糊控制理论目前尚无简单、实用的方法处理多变量问题，故用合适的方法处理摆多变量之间的关系，仍是其要解决的中心问题。神经网络控制是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统，它是一种大规模并行的非线性动力学系统。神经网络具有信息的分布存储、并行处理以及自学习能力等优点。用强化学习方法来实现倒立摆的平衡控制，至今己经取得了不少成果。突加干扰时倒立摆的自恢复能力和大偏差的稳定性处理，是一个很实用的研究方向，另外，用新的控制方法如基于Back-Stepping14-15的方法及RBF-ARX16-17模型的控制，仍是检验新的控制方法是否有较强的处理非线性、绝对不稳定系统的有力例证。1.4.2 实时仿真的研究现状仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。仿真是检测控制算法对倒立摆系统影响的一个非常重要的手段，在以往的倒立摆系统的仿真研究中应用的仿真方式多为半物理仿真18。即将各种控制方法编写成控制程序，通过运动控制卡对倒立摆实体进行控制，观察其控制效果，然后根据控制效果再来调整控制器的参数，如此反复，直至达到所要求的性能指标为止。显然，这种用被控对象实体进行仿真所得到的控制器在控制效果上可以得到保证，但是其仿真调试时间必然会比较长。也有研究者利用MATLAB提供的V-Realm Builder19虚拟现实工具箱建立倒立摆三维虚拟场景，将倒立摆三维虚拟场景和Simulink中倒立摆仿真模型连接起来，实现了虚拟倒立摆的仿真，其界面的“沉浸性”和“交互性”很强，但是却无法满足“实时性”的要求。为了达到实时仿真的目的，有些学者将第三方软件DSPACE20与MATLAB/Simulink结合起来，或者用多台PC机分别建立基于Matlab/Simulink RTW Target实时仿真环境的控制平台和基于Matlab/Simulink Xpc Target实时仿真环境的仿真平台21，然后通过PC机间的数据通讯来达到实时仿真的目的。其仿真方案虽然可行，但是显然过于复杂，实现起来比较困难。因此，本研究拟采用易于硬件读写的C语言设计一个基于ARM的单级倒立摆的实时仿真平台。1.5 本课题的研究内容本论文的主要工作是使用ARM2131实现一级倒立摆的控制问题，具体内容如下：(l) 介绍了倒立摆系统的概念、研究意义和发展状况，单级倒立摆的物理结构、工作原理、数学模型的建立，并分析了倒立摆系统的能控性、能观性；(2) 单级倒立摆起摆控制算法的研究，PID控制方法、LQR控制方法和分阶段控制方法，用Matlab和Simulink实现了各种控制系统的仿真，得到了倒立摆各状态变量及控制量的响应曲线，通过仿真，说明所设计控制器的有效性；(3) 单级倒立摆控制系统设计，即设计相应的切换控制策略，使摆杆从自然平衡状态经摆起过程最终切换至竖直平衡状态；(4) 基于ARM2131的直线一级倒立摆的软件系统开发，利用计算机实现单级倒立摆系统的控制，并研究可行性；(5) 对倒立摆的发展进行展望，提出更广阔、更有效的控制方法进行讨论。第二章 系统总体设计2.1 系统的总体结构倒立摆的硬件控制系统包含：1. 倒立摆本体部分：这部分包括直流电机、旋转编码器，其中旋转编码器将随小车一起移动，其中的连线由小车拖曳。2. 测量部分：包括旋转编码器，倒立摆的角度偏移信号通过编码器送到ARM2131控制器作为系统输入。3. 控制部分：由ARM2131控制器和上位机组成，经过采样得到的输入信号按控制规律由控制程序计算得出控制量，以脉冲PWM波的形式传给直流电机驱动电路。4. 执行部分：包括直流电机驱动电路、直流电机及其电源。其中直流电机驱动电路接受来自ARM关于电机前转数的脉冲信号和步进电机的换向信号，确定转向及转数后再进行运转。图2-1倒立摆系统的结构图一级倒立摆的结构简图如图所示。主要由计算机、EasyARM2131实验开发板、电机、检测传感器、驱动电路以及一些机械部件组成。计算机作为串行通信的上位机实现对系统运行情况的显示，同时也为操作者提供人机界面，完成系统的监督管理功能；EasyARM2131开发板作为系统的主要控制部件实现整个系统的算法控制、采样、发送脉冲、完成模/数、数/模转换等工作；电机驱动电路用来驱动电机运转；力矩电机是系统的执行元件；检测传感器是系统的测量元件，它分别检测小车相对于轨道中心点的位移，摆和铅垂线的角度偏移。系统的整套机械部件分别安装在一块架体上，上面固定着导轨支架、电机底座和传动装置等。通过导轨支架安装好导轨，小车靠直线轴承与导轨配合通过拉线钢丝传递电机动力实现运动，小车连着旋转编码检测器，轨道中点下方装有红外线检测传感器，小车运动时经过检测器。由以上的分析可以得到倒立摆控制系统的控制原理图。如图2所示的是一级倒立摆系统的原理图。在该系统的硬件电路设计好了之后，整个系统控制的关键就很容易看出来，即是摆杆角度信号和小车位移的采集和输出控制驱动力的ARM2131程序控制算法的实现。图2-2 倒立摆控制系统的原理图2.2 控制系统机械结构设计 单级倒立摆的机械系统设计很重要。因为与仿真不同的是：仿真可以忽略许多实际存在的要素，实际的机械系统需要尽可能减少其他因素，以利控制。考虑到实际控制难度的问题，结构设计主要涉及到两个方面，一是固定轨道问题；二是电机安装位置问题。关于固定轨道问题，是指轨道是否给小车以约束。我们所讨论的倒立摆平衡，摆本身是有铰链约束的，它只能在平面内以铰链为中心自由转动，因此小车的运动也只是在某一竖直平面内。在此前提下，如果轨道和小车在结构上不是一体的，则小车的运动依赖于其车轮与轨道之间的摩擦力，并且小车的动力源(电机)必须安装在小车上。此时，由于摩擦系数总是小于1，所以小车能够达到的最大加速度；相反当倒立摆偏角较大时，其在水平方向的加速度分量却可大于，为了使倒立摆平衡而要求小车提供一个较大的加速度时，尽管小车的动力足够，却有可能小车的车轮打滑，从而使控制失效。解决的方法是限制小车的最大偏角，但同时也降低了倒立摆的工程价值。关于电机(小车采用电机驱动)的安装位置问题，是指小车的动力源是否随小车一起移动。如果小车与轨道设计成为一体，电机安装在小车上。车轮采用圆弧齿轮，轨道以角铝为支架，其上粘贴剪开的齿形带(如用齿轮齿条，则加工费用较大，并且不易加工较长齿条，如使用多齿连接，则其结合部容易使小车跳动)。当小车的加速度较大时，小车容易从齿形带上跳起，因此在结构上，将电机固定在轨道的一端，不随小车一起运动，此时需要在电机与小车之间用齿形带传动。这样做虽然负载增加了齿形带，但电机不用拖动自身，好处是可以不用考虑电机的功率问题，因为可以尽可能用一个大功率的电机作为动力源。2.3 一阶倒立摆总体分析2.3.1 模型参数说明假设条件：(1) 摆杆和小车都是刚体；(2) 皮带轮与皮带之间无相对滑动，传动皮带没有伸长的现象；(3) 小车的驱动力与直流放大器的输入成正比，且无滞后，忽略电极电枢绕组中的电感；(4) 实验过程中的库仑摩擦、动摩擦等所有的摩擦力足够小，在建模过程中可忽略不计（小车运动是所受的摩擦力正比于小车的速度）；系统参数说明：(1) 滑动小车的质量M；(2) 摆的质量 m；(3) 小车摩擦系数b，小车摩擦力f；(4) 重力加速度g；(5) 质心距节点的距离L；(6) 转动惯量J=;(7) 摆杆与垂直线的夹角；(8) 小车在轨道中点往左右移动的位移x；(9) 电动机控制小车的外力F。摆杆和小车的受力分解图： 图2-3一阶倒立摆摆杆受力图 图2-4小车受力图单级倒立摆由摆杆、小车、皮带，电机、滑轨组成。长度为L，质量为m的单摆用铰链固定在质量为M的小车上，通过铰链可以在一个平面内自由摆动，小车受电机的操纵。电机通过皮带拖动小车在轨道上左右运动，以保持摆杆不倒。规定外作用力F向右为正，摆杆向右偏为正。对一级倒立摆的物理模型进行分析如下：如果F 0，小车向右加速运动，当 0时，摆杆将回到竖直位置，然后向左加速倒下；当 0时由于摆杆重力矩的作用，摆杆将进一步向右加速倒下，小车向左运动；当F 0时，由于摆杆重力矩的作用，摆杆将进一步向左加速倒下，小车向右运动； =0，暂时维持平衡状态。 如果F0，小车向左加速运动，当 0或 =0时，摆杆将向右加速倒下。 2.3.2 模型牛顿定律受力分析在忽略了空气流动，各种摩擦力之后，可将倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如图2-5所示，各个物理量标号同上小节。图 2-5 抽象后的倒立摆系统模型下图是系统中小车和摆杆的受力分析图22。其中，N和P为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已经完全确定，因而矢量方向定义如图，图2-6所示方向为矢量正方向23。图 2-6 倒立摆受力分析应用Newton方法来建立系统的动力学方程过程如下：分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：即：把这个等式代入上式中，就得到系统的第一个运动方程： （3-1）为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：即：力矩平衡方程如下：注意：此方程中力矩的方向，由于，故等式前面有负号。合并这两个方程，约去和，得到第二个运动方程： (3-2)设 (是摆杆与垂直向上方向之间的夹角)，假设与1(单位是弧度)相比很小，即A=0,1,0,0;38.1825,0,0,0;0,0,0,1;-0.3847,0,0,0;B=0;-2.8037;0;0.7477;C=1,0,0,0;0,0,1,0;D=0;GSS=SS(A,B,C,D);eig(GSS)则可得到系统的特征根分别为=。特征根之一的实部是正值，所以该系统是不稳定的。由此可知，u=0时，倒立摆系统是不稳定的系统。对这一不稳定系统应用状态反馈，可使摆杆垂直且使小车处于基准位置，即达到稳定状态。这将在本文的4.2节作介绍。又可求出系统的能控矩阵24：rank(ctrb(A,B),即由,则利用计算机可以求出rank(S)=4，得到矩阵S满秩，故该系统可控。同理，可求系统的能观矩阵：,则计算得到rank(V)=4，得到矩阵V满秩，故该系统可观。综合以上结论可得：该系统是一个不稳定的系统，且可控可观。2.4 倒立摆的控制目标如前所述，倒立摆的控制目标为摆杆不倒，同时小车停在轨道上的某个位置。对于摆杆不倒这个控制目标，需要为计算机确定一个范围，即在这个范围中，可以认为倒立摆是平衡的，而计算机控制系统不需再进行恢复平衡的控制。在倒立摆研究的过程中，经过反复调试和实验得知：倒立摆成功的稳定住时，倒立摆偏离其铅垂方向的角位移一般保持在内，因此所需的范围即是。对于要求小车停在轨道上的某个位置，由于倒立摆的平衡过程是动态过程，摆在铅垂位置是不稳定平衡，所以不能使得小车绝对的停在轨道上的预定位置，而只能是在这个位置附近左右移动，以保持倒立摆的动平衡，有鉴于此，规定当小车在某预定位置左右的范围内移动时，就认为是小车停在了这个位置。控制目标可以这样定义：小车和摆杆组成的系统在受干扰后，在有限长的导轨上摆仍能处于垂直的平衡位置，并且小车位置变化在很小的范围内。2.5 倒立摆系统中通讯控制系统的选型倒立摆系统中通讯控制系统机型的选择内容，涉及到很多方面的问题，归纳起来可概括成下列几个要点：(1) I/O点数；(2)存储器容量；(3)处理功能；(4)I/O单元的类型及其规格；(5)外观和结构形式；(6)扩展性和系列化规模；(7)外部设备；(8)环境适应性。选型的关键主要是能满足基本控制功能和容量，并考虑维护的方便性、备件的通用性、系统可扩展性以及能满足特殊功能要求等。如果工业控制要求在进行逻辑控制的同时还要完成模拟量输入输出、PID调节、网络通信等专门功能时，就需要考虑所选择的机型是否支持这些专用模块。通讯控制系统选型的关键主要是能满足基本控制功能和容量，并考虑维护的方便性、备件的通用性、系统可扩展性以及能满足特殊功能要求等。通常，在选型之前首先确定系统I/O点数和存储器容量。基本步骤是先根据工艺控制条件对I/O点数(数字输入/输出量、模拟输入/输出量)做出一个准确的统计，在这个统计数据的基础上再增加10%-30%的余量来确定I/O总点数。优点是：(1)可以弥补统计过程中遗漏的点数；(2)保证系统投入运行后，个别点有故障时，能够替换；(3)预备将来可能增加的点数需求。采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器,即我们通常所说的ARM微处理器,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场份额,ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。除ARM微处理器核以外，几乎所有的ARM芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器、键盘接口、RTC、ADC和DAC、DSP协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能。这样既可以简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：1、体积小、低功耗、低成本、高性能;2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;3、大量使用寄存器,指令执行速度更快;4、大多数数据操作都在寄存器中完成;5、寻址方式灵活简单,执行效率高;6、指令长度固定;大多数的ARM微处理器片内存储器的容量都不太大，但本系统的设计不需很多的存储空间。基本的数模转换等程序可以使用C语言在ADS软件上先调试，然后在选择好控制算法之后再进行不断的试验和调试，直到实现控制系统的控制目标，十分方便。经过以上考虑，我们最后选用的是ZLG公司的LPCARM2131。2.6 系统总体设计方案通过总体设计思想和方案分析、比较，形成了下面的总体设计方案。本设计的倒立摆控制系统以一片ARM7处理器LPC2131为核心，配以TIMER（定时器）、UART（异步串行口）、PWM（脉宽调制器）、SPI接口等片内外围电路，加上电机驱动控制模块、电源模块、检测模块、键盘显示等外围电路。其硬件系统结构框图如图27所示。其中，TIMER、UART、PWM三个部件是通过VPB总线挂接在LCP2131主控制器上，电机控制模块等外部模块是通过引出的I/O口和核心处理器相互通信的。图27 系统框图第三章 单级倒立摆系统硬件设计3.1 倒立摆系统中通讯控制ARM最小系统模块LPC2131最小系统包括电源电路、晶振电路、复位电路、JTAG接口电路等。在本系统中，为了方便系统的初始化设置、调试，EasyARM2131开发板主要分为以下几部分：1、电源电路此系统芯片是选用菲利普公司的LPC2131，它采用3.3V电源供电。其电源电路如图 所示。SPX1117M3-3.3输出电流高达800mA；输出电压精度高；稳定性高，并具有电流限制和热保护。因此选用了SPX1117M3-3.3。交流电压通过USB接口经过电感L3，L3起到限制瞬态电流作用。然后经过C20、C16滤波后通过SPX1117M3-3.3输出稳定的3.3V电压。其中电容C21是为了提高输出的稳定性，电感L1、L2为模数隔离电感。图3-1 EasyARM2131电源电路2、复位电路由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面提出了更高要求。因此本次ARM板的复位电路采用带I2C存储器的电源监控芯片CAT1025JI-30，提高系统的可靠性。其电路原理图如图 所示。CAT1025JI-30具有精确监控电源电压；高、低电平复位；手动复位输入；400KHz的I2C串行2K位EEPROM等。图 3-2 系统复位电路3、系统时钟EasyARM2131微控制器使用外部11.0592MHz的晶振，电路如图 所示。用11.0592MHz的晶振是因为能使串口波特率更精确，而且同时能够支持LPC2131芯片内部PLL及ISP下载功能。图 3-3 系统时钟4、AD接口电路本设计只需要一路A/D采样即可，而LPC2131拥有1个10位8路A/D转换器，完全满足设计要求。启动A/D转换的方式非常灵活，既可以单路软件启动，也可以设置为BRUST模式对某几路信号逐个循环采样。LPC2131增加了独立的基准电压源引脚，对转换精度很有利，在这里我们使用软件控制模式通过设置P0.30连接AD0.3，对AD0.3进行电压采样，进行AD转换。AD接口电路如图 所示。当选择Vref时，参考电压有R20和R27分压得到，选择Vref时，由用户输入作为参考电压。图 3-4 AD测量电路5、串口通信模块本次设计要与PC机进行通信，因此要用到串口通信模块。UART0串口通信模块的电路图如图 所示。由于系统是3.3V系统，所以要使用SP3232E进行RS-232电平转换。SP3232E是3V工作电源的RS-232转换芯片。当跳线JP6分别选择TxD0和RxD0端时，方可进行UART0通信。图 3-5 UART0串口通信电路使用UART与PC机通讯的连接示意参考如图 。由于PC机串口是RS232电平，所以连接时需要使用RS232转换器进行电平的转换。图 3-6串口0于PC机通信3.2 直流电机及其驱动电路模块3.2.1 直流电机的结构及原理直流电机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性；尽管今年来不断受到其他电动机的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制系统的最优先选择。ARM2131微控制器通过I/O口发出PWM和L298芯片，功率放大来驱动控制直流电机并调速。直流电机（D.C.machine）是实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构形式很多，但基本的构造的相同的，即必须有定子、转子和换向器，其间有一定的气隙，如图3-7所示。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成，里面的部分是固定在机身的圆桶状部分，一般由永磁材料或能产生磁场的线圈制成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成，是把电能转换成机械能的部分。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。图3-7 直流电机示意图当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。当电机作直流电动机运行时，电机上的绕组分别与电子开关线路的相应开关元件相连接。电枢绕组的电流随着转子位置的变化而按一定规律换相，功率开关元件的截止与导通是与转角同步变化的。通过改变加在绕组上的直流电压就可实现调速。而电压的改变有两种方法：一是每相的导通时间不变，改变加在线圈上的电压幅值；二是电压幅度不变，改变电压波形的占空比。改变定子绕组磁势和转子磁场相对关系就能实现正反转。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（pulse width modulation，简称PWM）控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在嵌入式系统控制中很容易实现，从而为直流电机控制数字化提供了契机。直流电机有普通直流电机和直流伺服电机之分，两者的区别主要体现在性能方面。伺服电机在调速范围、机械特性和调速特性的线性度、响应快速性等方面均占优势，且当控制电压改变为零时能立即停止转动，普通电机做不到；从结构上比较，两者的区别在于电枢铁心的长度与直径之比，伺服电机较大，而气隙较小。因此在精密定位和宽调速范围的应用场合，一般都选用伺服电机，当然它的价格也较高。倒立摆往往既有直流伺服电机，也有普通电机，应视需要而定。普通直流电机也具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，结合考虑体积和价格因素，因此选用普通电机即可。 3.2.2 电机驱动电路的设计 在直流电机电枢上加上一定幅度的直流电压，电机便开始旋转；改变电压方向，电机转向也随之改变。直流电机的转速大小是与加在直流电机上的电源电压成正比的。电机的转动方向与直流电机产生磁场的线圈的电流方向有关。有固定电压情况下，用脉冲宽度的占空比调整控制电机的转速要解决下面几个问题：(1) 图3-8中的K1K4开关，应该是大功率电子开关。该电子开关高频特性要好，饱和压降要低，最大允许电流大于L的启动电流几倍； 图3-8 电机驱动示意图(2) 为使电源对L迅速充电，使L达到感抗最大值，电路中的线组应尽可能小，这样可以提高电机工作频率，从而提高工作频率；(3) 有防止过流的保护电路；(4) 有防止反相峰值电压的电压保护电路；(5) 有防止启动电流过大的设计；(6) 控制电压符合标准TTL电平；(7) 有防止电机死区的控制。倒立摆在运动中必须不断地改变速度、方向和精确地定位，往往需要采用直流伺服电机，并相应地要求电机的功率放大器具有良好的电压调整特性。与传统的线性放大器相比，现在多采用晶体管和MOS管放大器。PWM（脉冲宽度调制）功率放大器的优点是功耗低、效率高、体积小、价格低、工作可靠、易于克服伺服电机的静摩擦等，故它具有广泛的应用。最常用的PWM功率放大器是桥式PWM功放电路，又称H型功放电路。我们选用L298作为电机驱动芯片正是基于以上的考虑。L298是一个高电压，高电流双路全桥驱动器设计，以标准的TTL逻辑电平驱动电感负载，如继电器，螺旋管，直流步进电机。L298是驱动二相和四相步进电机的专用芯片，它内部集成有两个桥式电路。我们利用它内部的桥式电路来驱动直流电机，这种方法有一系列的优点。每一组PWM波用来控制一个电机的速度，而另外两个I/O口可以控制电机的正反转，控制比较简单，电路也很简单，一个芯片内包含有8个功率管，这样简化了电路的复杂性。其状态表见表 3-1所示（C表示IN1、IN3；D表示IN2、IN4）。表 3-1 L298状态表输入功能C=H；D=L前进C=L；D=H后退C= D快速制动C=；D=自动停止L298采用了所谓全桥脉冲调宽技术（也称为“H电桥”脉冲调宽技术）进行电机驱动。这种技术的基本原理如图3-9所示。图3-9 “H电桥”PWM技术原理当方向信号Dir=1时，三极管b、c关断，而a、d在PWM信号作用下不断地开关，从而可以通过改变PWM信号的占空比来调节通过电机的电流，也就控制量电机的输出力矩，同时电流方向总是保持不变。当Dir=0时，a、d关断，b、c在PWM信号作用下不断的开关，电流的大小仍然由PWM信号的占空比调节，而方向刚好相反。这样，就可以利用电桥控制直流电机的正反转和输出力矩大小。4个续流二极管用于关断时间内给电机形成续流，保持电流连续性。需要注意的是，在三极管关断期间，由于电机存在反电动势，电流将向20V稳压电源倒灌，因此要注意元件耐压选取和器件保护。利用这种技术的最大优点就是效率比较高，不像串联调节方式那样需要芯片承受很大功耗。类似的技术在目前高档电源设备中经常使用，这类所谓的开关电源其效率比普通电源高许多。驱动效率提高的好处就是大大降低了芯片自身的功耗，因此，尽管芯片能够提供很高的输出功率，自身发热却比较小，可以通过地线和与地线相连的电路板上的两片铜箔散热。L298驱动直流电机电路如Error! Reference source not found.10所示。图3-10 L298驱动直流电机的电路电枢两端的电流是一个脉动的连续电流，加快PWM的切换频率，电流的脉动就变小，结果近似于直流信号的效果，使电机均匀旋转。同时，如果改变PWM脉冲的宽度，电枢中的平均电流也将变化，电机转速便随之改变。这就是PWM调速的原理，其具体的工作原理是：采用双极性的控制方法，通过三极管Q1使得IN1、IN2的输入反相，从而达到控制电机正转、反转的目的；ENB接高电平，用PWM控制电机的正转、反转及转速；假设当PWM的占空比小于50%时，电机正转，则大于50%时电机反转，等于50%时电机急停；通过改变PWM的占空比改变电机转速。此种电路设计方案只需通过一路PWM即可达到控制电机转向及转速的功能，节省了控制器的输出引脚及控制难度，缺点是功耗大，L298芯片容易发热，因此应加散热片。同时，我们知道，PWM脉冲频率决定了电枢电流的连续性，从而也决定了电机运行的平稳性。如果脉冲切换频率选择不当，电机的低速性能有可能不理想，容易烧毁晶体管，而且由于电流不连续，电机可能产生剧烈震荡，甚至出现啸叫现象，这些都是不允许的。因此，在设计PWM功率放大器时，要慎重选择切换频率。实际设计综合考虑各种因素，在1000HZ至数万HZ的范围内选取PWM切换频率。不过，功放管的开关频率总有一个限度，对大功率功放管来说，开关频率越高，制造工艺难度越大，成本也越高。因此，要根据实际需要确定有关参数，使构建的功率放大器有较高的性能价格比。3.3 传感器选择模块旋转编码器是一种角位移传感器，它分为光电式、接触式和电磁感应式三种，其中光电式脉冲编码器是闭环控制系统中最常用的位置传感器。光电编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘(码盘)、狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏接收元件等组成。码盘一般由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。光源将光投射在码盘上时，当旋转轴带动码盘转动时，通过亮区的光线经狭缝后，由光敏元件所接收，把码盘上按照一定码制刻划的角度信息转换为电信号，根据需要把电信号经电路处理或给计算机处理，得到所需要的角度量。旋转编码器有增量编码器和绝对编码器两种，图3-11为光电式增量编码器示意图，它由发光元件、光电码盘、光敏元件和信号处理电路组成。图3-11 光电编码器原理示意图当码盘随工作轴一起转动时，光源透过光电码盘上的光栏板形成忽明忽暗的光信号，增量式编码器能在每一转发出若干个脉冲信号。这些信号可被用来测量位移值(角位移、线位)。在增量编码其中，一个码盘被等分成若干个透明和不透明相间的区段，并被固定在编码器的轴上。在码盘的一侧一个LED发出一束平行光，照射到码盘的透明和不透明的区段，在透明区段光会穿透码盘，而在不透明区段则不会。在码盘的另一侧有一个光敏元件，接受从透明缝中透过的光，把光信号转化成电信号并将其调制成两列相位差90的脉冲，经过放大电路后输出，然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、记数、译码后输出。增量式编码器通常有三个输出信号A，B，Z，其中A和B的相位差为90，Z信号为零信号，该信号每一转出现一次，可用作基准信号。为了测量出转向，使光栏板的两个狭缝比码盘两个狭缝距离小节距，这样两个光敏元件的输出信号就相差相位，将输出信号送入鉴向电路，即可判断码盘的旋转方向。光电式增量编码器的测量精度取决于它能分辨的最小角度（分辨角、分辨率），而这与码盘周内所分狭缝的线数有关。 （1）其中 n编码器线数。由于光电式脉冲编码盘每转过一个