2013年全国大学生电子设计竞赛 C题.doc

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: This paper describes a control based on TIs MSP430 microcontroller simple rotary inverted control system. The system uses the West An Jiusheng 57HS56 08 type two-phase four-wire stepper motor as the power source of the system. In WDS35D4 precision conductive plastic angular displacement sensor as the only sensor to realize the system E pendulum motion detection, and so the sensor feedback value as the amount of feedback through software algorithm to determine E pendulum motion by changing the stepper motor the steering and speed to control the state of motion of the pendulum E. Test results had showed that: the system can realize the E pendulum motion detection and control. And the system also has a simple structure, enabling strong, control and stability advantages.Keywords:Rotating balance handstand tepper motor angular displacement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TI 公司的MSP430作为MCU，MSP430获取作为D转轴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，它将电脉冲信号直接转换成角位移，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。其转角精确(采用128细分驱动可以实现0.014度的步进角控制)，扭矩大，角度控制易实现。考虑题目的要求，由于需要对角度进行精确控制，并且旋转圈数并不需要很多，考虑到驱动电路的简单性，为了实现电机控制的方便性和精确性，采用方案三的步进电机。2.2 摆杆状态检测： 方案一：在摆杆上面放置陀螺仪或者加速度计作为传感装置。陀螺仪可以三个轴向检测运动状态，误差很小，精确度和灵敏度极高，但数据处理复杂，且具有零点漂移特性。方案二：采用精密导电塑料角位移传感器作为传感装置。其线形度高、噪声小，电路设计简单，同时可以直接作为D转轴减少结构设计和传感器装配难度。但其存在=3的测量死角。考虑题目要求，题目只需测量E摆杆一个方向的变量且需要其质地均匀，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构将测量死角调节至不需要测量的位置，故选择方案二。摆杆状态检测的方法如下：精密导电塑料角位移传感器将D轴和传感器合二为一。将参考电压加至传感器两端，通过分压接法将E摆杆与垂直方向的角度与03.3V电压值一一对应，可以计算得出摆杆当前的位置，并作为系统的反馈量，使系统构成闭环，达到稳定。2.3驱动与控制算法： 2.3.1 步进电机驱动：高细分步进电机驱动器，电源要求直流24V，易实现，细分高，细分范围大，调节细分方便，可精确控制步进电机。因此采用高细分步进电机驱动器（128细分）作为步进电机的驱动器。 2.3.2 控制算法：系统采用经典的PID控制算法将精密导电塑料角位移传感器采集回来的电压经过AD转换后作为反馈量，将E摆杆处于不稳定平衡状态（竖直向上）的AD转换值作为期望值，利用PID控制算法，通过反馈量与期望值的偏差来判断E摆杆的运动状态，并通过调节步进电机的旋转方向，速度，步数来控制C旋转臂达到控制E摆杆运动状态的目的。三：电路与程序设计3.1 电路设计：本系统由TI 公司的MSP430作为MCU，MSP430获取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，并根据矩阵键盘的按键控制选择控制模式。并以LCD显示模式状态。MSP430经运算分析将控制信号输出至步进电机驱动器。驱动器连接步进电机进行状态控制。由于高细分步进电机驱动器控制信号为5V工业标准，而MSP430是3.3V超低功耗MCU。因此为了使系统可以稳定工作需要在MSP430和步进电机驱动器之间用PC817做电平匹配。系统电源由可跟踪直流电压源提供。系统总电路图见图3.1图3.1 简易旋转倒立摆及控制装置电路原理图3.2 程序设计与结构： 图3.2.1 基本要求(3)程序流程图 图3.2.2 主函数程序流程图四：测试方案与测试结果4.1基本要求（1）测试方案与测试结果分析测量仪器：量角器（精度1），秒表。测试方法：将E摆杆垂直向下，测量60 位置，开启系统用矩阵键盘选择菜单至摆动，并用秒表计时。当E摆杆左右摆动两次超过60 计时结束。重复10次上述操作并记录在表4.1中。 表4.1 基本要求（1）测试结果测试次数第一次第二次第三次第四次第五次到达60时间（s）1.2s1.0s1.5s1.2s1.3s测试次数第六次第七次第八次第九次第十次到达60时间（s）1.1s1.0s1.5s1.6s1.5s平均值=（1.2+1.0+1.5+1.2+1.3+1.1+1.0+15。+1.6+1.5）/10=1.29s结论：本作品可以很快甚至超标完成基本要求（1），并且运动状态稳定。4.2基本要求（2）测试方案与测试结果分析测量仪器：量角器（精度1），秒表。测试方法：将E摆杆垂直向下，开启系统用矩阵键盘选择菜单至圆周，并用秒表计时。当E摆杆旋转一周计时结束。重复10次上述操作并记录在表4.2中。 表4.2基本要求（2）测试结果测试次数第一次第二次第三次第四次第五次完成圆周时间（s）1.81.61.92.02.1测试次数第六次第七次第八次第九次第十次完成圆周时间（s）2.12.1失败1.61.5平均值=（1.8+1.6+1.9+2.0+2.1+2.1+2.1+1.6+1.5）/91.86s第八次测试失败经多方面考虑研究发现：系统完成时间一直增加，由此得出系统C旋转臂周期在增加，经分析得，由于步进电机与C旋转臂之间的连接器材质为铝，质地较软，且根据杠杆原理可得，当步进电机反向运动时，连接器受到很大的力使其产生松动。将连接器紧锢螺丝重新拧紧后系统恢复正常，时间大概在1.8秒左右。 结论：本作品可以很快完成基本要求（2），并且运动状态稳定。4.3基本要求（3）测试方案与测试结果分析测量仪器：量角器（精度1），秒表。测试方法：测量165位置，将E摆杆拉至165位置，开启系统用矩阵键盘选择菜单至倒立，放开E摆杆，并请队友用秒表计时。当E摆杆15s内一直处于倒立状态记为成功，否则失败。重复10次上述操作并记录在表4.3中。 表4.3基本要求（3）测试结果测试次数第一次第二次第三次第四次第五次是否倒立15s失败成功成功失败成功测试次数第六次第七次第八次第九次第十次是否倒立15s成功失败成功成功失败 结论:由于PID参数调节需要时间，而且在实现第三个基本要求时发现E摆杆质地较轻，反馈不及时，再加之摩擦力的存在，PID参数与计算值存在一定偏差，不易控制。所以成功率低至60%。由于基本要求（1）和基本要求（2）均以此摆杆调节好参数，如果更换E摆杆无法保证短时间从新调节至稳定。因此我们仍然在找更好的算法来解决基本要求（3）。 4.4发挥部分（1）测试方案与测试结果分析测量仪器：秒表（2块）。测试方法：将E摆杆处于自然下垂状态，开启系统用矩阵键盘选择菜单至发挥1，并使秒表1开始计时，当E摆杆被稳定至最高点时停止计时秒表1并同时使秒表2开始计时，当E摆杆15s内一直处于倒立状态记为成功，否则失败。将秒表1的时间记录在完成倒立时长。秒表2超过15s记为成功。重复10次上述操作并记录在表4.4中。 表4.4发挥部分（1）测试结果测试次数第一次第二次第三次第四次第五次完成倒立时长（s）倒立超过15s测试次数第六次第七次第八次第九次第十次完成倒立时长（s）倒立超过15s4.5发挥部分（2）测试方案与测试结果分析测量仪器：量角器，细线（20cm），砝码（5g），测试方法：用细线把砝码悬挂，将E摆杆处于倒立状态，开启系统，用矩阵键盘选择菜单至发挥2，等E摆杆稳定倒立时将砝码拉至5并释放砝码使其撞击E摆杆，若E摆杆在2s内恢复稳定倒立状态，记为成功，否则失败。重复10次上述操作。记录10次中成功次数。拉起砝码，使细线与垂直线夹角依次增大5，重复上述操作。并记录至表4.5中。 表4.5发挥部分（2）测试结果测试次数1520253035成功次数测试次数404550成功次数4.6发挥部分（3）测试方案与测试结果分析测量仪器：秒表测试方法：将E摆杆拉至倒立状态，开启系统用矩阵键盘选择菜单至发挥3，并使秒表开始计时，旋转一周计时结束，若旋转一周过程中摆杆失控则记为失败。