平衡杆小车论文

1、PAGE PAGE III2014年TI杯福建省大学生电子设计竞赛平衡杆小车（B题）【本科组】2014年9月6日摘 要 摘 要：本平衡杆小车采用飞思卡尔单片机作为主控芯片，用全桥电机驱动模块驱动电机，飞思卡尔单片机结合角度编码器通过PID算法控制电机驱动模块驱动四个减速电机，使小车前进后退控制车上摆杆实现倒立，并通过光电开关进行循迹，实现小车的行进。硬件部分主要包括飞思卡尔单片机最小系统，电机驱动电路，电源模块，光电开关循迹模块等。关键词：单片机 电机驱动 角度编码器 减速电机 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc239306421 1系统方案 PAGERE

2、F _Toc239306421 h 1 HYPERLINK l _Toc239306422 1.1 处理器模块的论证与选择 PAGEREF _Toc239306422 h 1 HYPERLINK l _Toc239306423 1.2 电机模块的论证与选择1 HYPERLINK l _Toc239306424 1.3 传感器模块的论证与选择2 1.4 电源模块的论证与选择.2 HYPERLINK l _Toc239306425 2系统理论分析与计算3 HYPERLINK l _Toc239306426 2.1 倒立摆的数学模型分析及计算3 HYPERLINK l _Toc239306427 2

3、.1.1 理论分析3 HYPERLINK l _Toc239306428 2.1.2 实际系统模型4 HYPERLINK l _Toc239306430 2.2 PID算法分析5 HYPERLINK l _Toc239306438 3电路与程序设计8 HYPERLINK l _Toc239306439 3.1电路的设计8 HYPERLINK l _Toc239306440 3.1.1系统总体框图8 HYPERLINK l _Toc239306441 3.1.2 主控系统电路原理图8 HYPERLINK l _Toc239306442 3.1.3 电机驱动模块电路原理图93.1.4 传感器模块电

4、路原理图 10 HYPERLINK l _Toc239306443 3.1.5电源模块电路原理图10 HYPERLINK l _Toc239306444 3.2程序的设计10 HYPERLINK l _Toc239306445 3.2.1程序功能描述与设计思路10 HYPERLINK l _Toc239306446 3.2.2程序流程图11 HYPERLINK l _Toc239306447 4测试方案与测试结果12 HYPERLINK l _Toc239306448 4.1测试方案12 HYPERLINK l _Toc239306449 4.2 测试条件与仪器12 HYPERLINK l _

5、Toc239306450 4.3 测试结果及分析12 HYPERLINK l _Toc239306451 4.3.1测试结果(数据)12 HYPERLINK l _Toc239306452 4.3.2测试分析与结论125设计总结13 HYPERLINK l _Toc239306453 附录1：电路原理图14 HYPERLINK l _Toc239306454 附录2：源程序15 HYPERLINK l _Toc239306454 附录3：硬件设计15PAGE PAGE 21简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】1系统方案本系统主要由处理器模块、电机模块、驱动模块、传感器模块、电源模块组成，

6、下面分别论证这几个模块的选择。1.1 处理器模块的论证与选择方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案。方案二：采用飞思卡尔单片机MK60FX512VLQ15作为控制器，相对于32位的其他芯片，性价

7、比高，此单片机最大的优势的处理速度快，有足够的资源控制系统的自动化，另外次单片机功耗低、集成程度高、通过库函数开发软件实现也比较容易。综合考虑了传感器、电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用飞思卡尔单片机，充分利用MK60FX512VLQ15单片机的资源，选择方案二。1.2 电机模块的论证与选择方案一：采用步进电机控制小车。步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。但是不经细分的步进电机控制精度不高，速度响应也较慢，接线复杂，程序相对复杂，。方案二：采用直流减速电机控制小车。在减速系统中控制机械元件运转的发动机是一种补助

8、马达间接变速装置。直流减速电机可用PWM控制速度，接线简单，程序方便，它将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。直流减速电机在控制精度、低频和矩频特性、过载能力、运行和速度响应性能等方面都优于步进电机。综合考虑采用方案二。1.3 驱动模块的论证与选择方案一：三极管价格便宜，驱动电路设计复杂，不稳定，出问题难于查询。方案二： L298N芯片价格便宜，电路设计简单，驱动电流大，但驱动大功率的电机不是很稳定，当电流过大时发热严重容易烧坏芯片。方案三：采用全桥大功率驱动，运用4个MOS管组成驱动一个电机，电路复杂，适用于大电流大功率的电机驱动，此系统四个电机，运行时电流相对较大，符合本系统设计要求。

9、综合以上三种方案，采用方案三。1.4 传感器模块的论证与选择方案一：MPU-6000（6050）整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API，用于测量角度、加速度等，但是程序复杂，当线过长时，信号失真较大，容易产生误差。方案二：采用增量式光电旋转编码器，旋转编码器是用来测量转速并配合PWM技术可以实现快速调速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换

10、成相应的电脉冲以数字量输出。通过双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向，利用此编码器可以完美结合飞思卡尔正交解码，测量角度，此编码器较稳定。综合考虑采用方案二。2.系统理论分析与计算2.1 倒立摆的数学模型及计算 2.1.1 理论分析Mg图2-1 倒立摆系统的简化模型分析摆杆水平所受的合力，可以得到以下方程： （2.1）由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式： 即 ： （2.2）把这个等式代入上式中，就得到系统的第一个运动方程： （2.3）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

11、： 即： (2.4)力矩平衡方程如下： (2.5)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P和N，得到第二个运动方程： (2.6)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1，则可以进行近似处理： 用u 代表被控对象的输入力F ，线性化后两个运动方程如下： (2.7)对方程组(2.7)进行拉普拉斯变换，得到 (2.8)注意：推导传递函数时假设初始条件为0。由于输出为角度，求解方程组(2.8)的第一个方程，可以得到： (2.9)把上式代入方程组(2.8)的第二个方程，得到： (2.10)整理后得到传递函数： (2.11) 其中： 2.1.2 实

12、际系统模型把实际参数代入，可以得到系统的实际模型。 摆杆角度和位移的传递函数： (2.12)摆杆角度和加速度之间的传递函数为： (2.13)摆杆角度和所受外界作用力的传递函数： (2.14)以外界作用力作为输入的系统状态方程： (2.15)以摆杆加速度作为输入的系统状态方程： （2.16）2.2 PID算法分析PID控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成的一种控制规律。在模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。模拟PID控制系统原理框图如图2-2所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图2-2模拟PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值rin

13、(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差 error(t)=rin(t)-yout(t) PID的控制规律为： (2.17)也可以写成传递函数的形式 (2.18)其中，比例系数，积分时间常数；微分时间常数。简单的说来，PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之越强。微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动

14、作速度，减少调节时间。2.2.2 数字PID控制计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即： (2.19) 可以得到离散PID表达式： (2.20) 式中，T为采样周期，k为采样序号，k=1，2，error(k-1)和error(k)分别为第(k-1)和第k时刻所得的偏差信号。位置式PID控制系统如下图2-3所示：图2-3 位置式PID控制系统上述PID控制算法的缺点是：由于采用全量输出，所以每

15、次输出均与过去的状态有关，计算时要对error(k)量进行累加，计算机输出控制量u(k)对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，u(k)可能会出现大幅度的变化。u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况是在实际生产中不允许的，在某些场合还可能造成重大事故。为避免这种情况的发生，可以采用增量式PID控制算法。当执行机构需要的是控制量的增量（例如驱动步进电机）时，应采用增量式PID控制。根据递推原理可以得到： (2.21)增量式PID控制算法：由于控制算法中不需要累加，控制增量u(k)仅与最近k次的采样有关，所以误动作时影响小，而且较为容易的通过加权处理获的比较好

16、的控制效果。在计算机控制系统中，PID控制是通过计算机程序来实现的，因此它的灵活性很大。一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后，就可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法，形成非标准的控制算法，以改善系统的品质，满足不同的控制系统的需要。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图为了使系统能够实现各种复杂的控制功能，本设计采用一种功能强大的、高速低功耗性价比高的飞思卡尔单片机MK60FX512VLQ15完成对其他部分控制。本设计采用增量式角度编码器对摆杆的倾斜角度的采集数据，飞思卡尔单片机正交解码数据处理后，通过数据分析控制电机驱动电路，使直流减速电机直接控制

17、小车的状态，控制小车上摆杆使其自理，总体框图如图3-1所示。电 源飞思卡尔单片机电机驱动模块直流电机角度编码器图3-1 系统总体框图3.1.2 主控系统电路原理图单片机最小系统由复位电路、时钟振荡电路等电路，此单片机最小系统扩展板如图3-2所示：图3-2 主控系统电路原理图本主控电路采用飞思卡尔MK60FX512VLQ15单片机，MK60FX512VLQ15浮点性能运算能力高，速度快，超频最快可以达到250M。3.1.3 电机驱动模块电路原理图驱动模块四个MOS管构成全桥作为电机驱动模块，具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高原理如下图3-3。图3-3 电机驱动模块电路原理图3.1.4传

18、感器模块电路原理图增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。增量式编码器轴旋转时，有相应的相位输出。其旋转方向的判别和脉冲数量的增减，需借助后部的判向电路和计数器来实现。其计数起点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量。还可以

19、把每转发出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。当脉冲已固定，而需要提高分辨率时，可利用带90度相位差A，B的两路信号，对原脉冲数进行倍频。编码器如图3-4。图3-4 增量式编码器3.1.5电源模块电路原理图供电电源采用大容量锂电池12V电源供电，运用集成稳压器L2940进行降压稳压作为5V为传感器等模块供电，输入端的电容为输入端滤波电容，输出端的电容为输出端滤波电容，3.3V电源采用lm1117稳压芯片将5V电压稳压为3.3V为单片机供电，具体电源原理图如图3-5所示。图3-5 电源模块电路原理图3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路根据题目要求软件部分主要控制电机方向和速度，驱动电

20、机带动小车使摆杆摆动直立，控制摆杆的摆动角度实现倒立的功能，并通过光电开关使小车循迹完成按规定行走。通过自锁开关可切换功能，使题目要求基础部分和发挥部分功能能通过一个主控处理器实现。3.2.2程序设计主程序流程图如图3-6初始化读取角度编码器的值单片机处理读到的A/D数据控制驱动电机转动摆杆是否符合要求否结束是图3-6 主程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案1）我们用秒表计算摆杆倒立的时间。2）用不同重量的砝码撞击摆杆，测速摆杆抗干扰能力，并记录实验数据。3）用秒表测试走直线和规定路线所用的时间。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且

21、检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，数字示波器，数字万用表，恒温电烙铁等。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据) 基本要求（1）测试结果测试次数时间第1次20S以上第2次20S以上第3次20S以上第4次20S以上第5次20S以上第6次20S以上第7次20S以上第8次20S以上第9次20S以上第10次20S以上基本要求（2）测试结果次数砝码重量时间第1次10g10S以上第2次10g10S以上第3次20g10S以上第4次20g10S以上第5次30g5S以上第6次30g5S以上第7次30g10S以上第8次30g10S以上第9次40g5S以上第10次40g5S以上基本

22、功能（3）测试结果测试次数时间距离第1次100S15CM第2次100S15CM第3次100S22CM第4次100S16CM第5次100S25CM第6次100S28CM第7次100S30CM第8次100S46CM第9次100S35CM第10次100S43CM4.3.2测试分析与结论根据上述测试，由此可以得出以下结论：经过本次试验结果，我们发现影响系统性能的因素除电路设计外，主要还有还有以下几点：1）角度传感器的精度，对其检测效果的影响很大。2）控制算法，PID 参数直接决定系统是否稳定，影响系统的控制精度。综上所述，本设计还有待改进。5.设计总结经过几天的辛勤努力，本设计实现了题目的部分要求。在

23、硬件上我们应用到传感器的调制技术，用PWM 技术的使用则解决了电动机驱动的效率问题；在软件上，我们灵活使用飞思卡尔单片机，使它完成了直流减速电机的驱动和传感器的使用，完成了题目的部分要求。但由于时间紧，任务重，对PID算法不是很深入的了解，所以导致系统不稳定，没办法实现部分功能。本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。参考文献1徐德鸿译:开关电源设计指南M.北京:机械工业出版社, 2004.5.2耿文学译:开关电源手册M.北京:机械工业出版社, 2005.03.3杨旭等.开关电源技术M.北京:机械

24、工业出版社,2004.03.4张卫平等.开关变换器的建模与控制M.北京:中国电力出版社,2006.01.5周志敏.周纪海.开关电源实用技术与应用M.北京：人民邮电出版社，2003:15176丁道宏.电力电子技术M.北京：航空工业出版社，1995:2182237占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计M.北京：电子工业出版社，1999:1761848贤兴.新型智能开关电源技术M.北京：机械工业出版社，2003:253255.9白志刚.自动调节系统解析与PID整定 . 北京：化学工业出版社2013.3附录1：电路原理图附录2：程序主函数 #include include.h#include LQ18T.

25、h#define turnleft C#define turnright D#define turnup A#define turndown B#define turnstop Fuint8 flag_REC=0; uint8 toothbuff3;/串口接收uint8 flager,NUMBER=0;int Turn_Need=0,Speed_Need=0;extern s16 real_L,real_R;extern float P,D,P2,D2,accL,accR;extern float I_1,I_2;extern s16 angle_bai,speed_motor,speed_b

26、ai,SPEED,angle_motor;uint8 function=2;void BlueToothC(void);void jiben12(void);void jiben3(void);void fahui12(void);void jiben12(void) FTM2_CNT=0; function=1;/ P=3.633,D=43.3,I_1=0.000; D2=0.06,P2=0.24,I_2=0.000027; pit_init_ms(PIT3,5); enable_irq (PIT3); while(angle_bai!=BALANCE); /摆到指定角度起摆。/摆至指定位置后开始起摆。 delayms(100); P2=20.00;D2=0;I_2=0;/在这里改电机环参数 P=45.233;D=3162.3;/这里改摆杆环参数 while(1);void jiben3(void) FTM2_CNT=0; function=3; pit_init_ms(PIT3,5); enable_irq (PIT3); while(angle_bai!=BALANCE) BlueToo