《倒立擺電子設(shè)計》word版

1、摘要本次競賽C題的任務(wù)為設(shè)計并制作一個旋轉(zhuǎn)式倒立擺，能夠使擺桿做圓周運(yùn)動，并且實現(xiàn)倒立功能。對此我們的作品采用自制支架，旋臂和擺桿。電機(jī)采用伺服電機(jī)，以STC12C5A60S2為控制芯片，利用精密塑料電位計測量擺桿轉(zhuǎn)角，經(jīng)過數(shù)學(xué)建模和多次數(shù)據(jù)采集建立模糊數(shù)學(xué)模型，利用PID實現(xiàn)對擺桿的實時控制。關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2 塑料電位計 PID控制器1、 設(shè)計任務(wù)1、任務(wù)設(shè)計并制作一套簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置。旋轉(zhuǎn)倒立擺的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。電動機(jī)A固定在支架B上，通過轉(zhuǎn)軸F驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂C旋轉(zhuǎn)。擺桿E通過轉(zhuǎn)軸D固定在旋轉(zhuǎn)臂C的一端，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂C在電動機(jī)A驅(qū)動下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，帶動擺桿E在垂直于

2、旋轉(zhuǎn)臂C的平面作自由旋轉(zhuǎn)。 2、基本要求 （1）擺桿從出于自然下垂?fàn)顟B(tài)（擺角）開始，驅(qū)動電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)臂做往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動，并盡快使擺角達(dá)到或超過； （2）從擺桿出于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運(yùn)動； （3）在擺桿出于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近位置，外力撤除同時，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于5s，期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度不大于。3、 發(fā)揮部分 （1）從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立時間不少于10s； （2）在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或 2s 內(nèi)恢復(fù)倒立狀態(tài)；（3）在擺桿保持倒立

3、狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運(yùn)動，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過角度達(dá)到或超過 360°；（4） 其他。二、系統(tǒng)方案 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)式倒立擺的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括旋臂、擺桿、直流減速電機(jī)以及角位移傳感器部分。其中直流減速電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動芯片L298驅(qū)動。旋臂和擺桿之間由角位移傳感器連接，擺桿可繞旋臂在垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。旋臂和擺桿的角位移信號由角位移傳感器測量的到，作為系統(tǒng)的輸入量送入到控制其中，根據(jù)一定算法計算得到控制律并轉(zhuǎn)化為電壓信號提供給驅(qū)動芯片，來驅(qū)動直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動旋臂在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)控制擺桿直立的效果。 2、方案比較與選擇 2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊 旋臂質(zhì)量 m10.2

4、00Kg擺桿質(zhì)量 m20.052Kg旋臂長度 R1（R）0.20m擺桿長度 R20.20m旋臂質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸距離L10.01m擺桿質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸距離L20.12m電機(jī)力矩-電壓比Km0.0236Nm/V電機(jī)反電勢-轉(zhuǎn)速比Ke0.2865VS旋臂饒軸轉(zhuǎn)動摩擦力系數(shù)F10.01NmS擺桿繞軸轉(zhuǎn)動摩擦力矩系數(shù)F20.001NmS旋臂繞軸轉(zhuǎn)動慣量J10.004Kg擺桿繞軸轉(zhuǎn)動慣量J20.001Kg 旋臂部分：材料不易變形，質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)動靈便，因此采用鋁合金板。 擺桿部分：需要材料密度大，轉(zhuǎn)動靈便，剛性好，最終使用碳纖維桿，并在端頭加一配重。 支架部分：穩(wěn)定性好。 2.2微控制器模塊的論證與分析方案一：STC12

5、C5A60S2單片機(jī)是單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250k/s,即25萬次/秒），抗干擾性強(qiáng)，所以此類芯片控制電機(jī)時，對傳感器信號的處理仍然很好，另外該類單片機(jī)價格也僅是略高于STC89C51系列單片機(jī)，具備更高的性價比。方案二：采用AVR系列單片機(jī)AVR系列單片機(jī)是一款具有增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的高速8位單片機(jī)。其采用精簡指令集，功耗低，性價比高。ATMEGA16有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)的EEP

6、ROM，1K字節(jié)的SRAM。但對于該題目其功能會有大量冗余。方案三：采用可編程CPLDCPLD可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、I/O資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。其采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高，且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮，此方案不是最佳選擇。綜上所述，選擇方案一。 2.3電機(jī)的論證與分析方案一：直流減速電機(jī)具有調(diào)速范圍寬，線性特性好，起動轉(zhuǎn)矩大，響應(yīng)速度快，質(zhì)量輕，體積小等優(yōu)點，但存在減速箱，齒輪減速存在空程，不利于實現(xiàn)精確控制。方案二：步進(jìn)電機(jī)具有能夠

7、直接實現(xiàn)數(shù)字控制，抗干擾性強(qiáng)，控制性能好，控制原理簡單，誤差不長期累積等優(yōu)點，但需要專門的電源和驅(qū)動器，采用普通驅(qū)動器時效率低，并且運(yùn)動增量或步距角固定，承受慣性負(fù)載能力低，在低速運(yùn)行時有可能發(fā)生震蕩現(xiàn)象，體積較大。方案三：直流伺服電機(jī)伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角

8、速度輸出。綜上所述，選擇方案三。 2.4電機(jī)驅(qū)動模塊的論證與分析方案一：采用大功率三極管，二極管，電容，電阻等元件采用上述元件搭建兩個H橋，通過對各路信號放大來驅(qū)動電機(jī)，原理簡單，易于明了。但由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時，運(yùn)行不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。方案二：采用L298N驅(qū)動芯片L298N芯片是常用的電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片有兩個TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性能；其輸出電壓最高可達(dá)50V，可用單片機(jī)的I/O口提供信號，而且一塊L298芯片可驅(qū)動一個步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動電路簡單易用、穩(wěn)定可靠，具有較高的性價比。 綜上所述，選擇方案二。 2.5角度傳感器模

9、塊的論證與分析方案一：導(dǎo)電塑料電位器導(dǎo)電塑料電位器是把一個機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電氣信號，并且該信號能夠與機(jī)械運(yùn)動成正比。電刷裝配連接到機(jī)械激勵器，繼而使塑料阻軌產(chǎn)生一個電壓分配器。電位計的阻軌兩端(1,3 )連接到穩(wěn)定的直流電壓(允許小電流)。當(dāng)在電刷和修正阻軌之間測量時，信號電壓是電壓分配器的主要部分，并且與阻軌上的電刷位置成正比。對于某一固定角度阻止一定，線性度好，軟件程序簡單，方便控制，但硬件電路復(fù)雜，性價比高。方案二：光電編碼器光電編碼器檢測的精度高，硬件電路簡單，但軟件程序復(fù)雜，不易檢測擺桿擺動方向，且價格比較昂貴，性價比低。綜上所述，選擇方案一。2.6顯示模塊的論證與分析方案一：使用MA

10、X7219芯片的數(shù)碼管顯示數(shù)碼管基本可以滿足系統(tǒng)的顯示需求，且能夠自發(fā)光，使顯示更加清晰，但消耗電流較大，占用單片機(jī)端口多。加上MAX7219后解決了數(shù)碼管占用單片機(jī)端口較多的問題，能夠用單片機(jī)的3個I/O口控制8個數(shù)碼管。方案二：采用1602LCD顯示器顯示。其功耗小，極其省電，但是使用有溫度范圍限制，且因是反光式的，在外界光線很明亮的情況下很容易看不清楚。綜上所述，選擇方案一。 2.7穩(wěn)壓模塊的論證與分析方案一：LM2940-5.0低壓差三端穩(wěn)壓芯片輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；輸出電壓5V；輸出電流1A；輸出電流1A時，最小輸入輸出電壓差小于0.8V；最大輸入電壓26V；工作溫度-40

11、+125；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。方案二：直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源電壓調(diào)節(jié)方便，可調(diào)范圍寬，但其體積大，攜帶不容易，且須220V室電。綜上所述，選擇方案一。 3.總方案設(shè)計框圖三、理論分析與計算 1、電動機(jī)選型 直流伺服電動機(jī)額定電壓6V額定電流0.4A力矩約0.05 N/m額定轉(zhuǎn)速1000r/min使用減速裝置減速比1/10 2、擺桿狀態(tài)檢測2.1理論分析 導(dǎo)電塑料電位器的功能是把一個機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電氣信號，并且該信號能夠與機(jī)械運(yùn)動成正比。電刷裝配連接到機(jī)械激勵器，繼而使塑料阻軌產(chǎn)生一個電壓分配器。電位計的阻軌兩端(1,3 )連接到穩(wěn)定的直流電壓(

12、允許小電流)。當(dāng)在電刷和修正阻軌之間測量時，信號電壓是電壓分配器的主要部分，并且與阻軌上的電刷位置成正比。導(dǎo)電塑料電位器作為一個電壓分配器，可以不必著重于阻軌上的總電阻的準(zhǔn)確度，因為溫度波動只對電阻產(chǎn)生作用，不會影響到測量結(jié)果。2.2計算2.2.1線性度 一個特殊的一致性類型，理論功能特征是一條直線。 Vo = ()+/-C=A()+B+/-C =0時，A 是斜面，B 是截距。 2.2.2獨立線性 最大的實際功能特征誤差，計算出一條最適合的基準(zhǔn)直線的斜面和位置，把誤差降到最小。它用在特定的理論電氣行程中測量出來的總電壓的百分比來表示。 3、驅(qū)動與控制算法 3.1水平式旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)建模 水平式

13、旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)由一份水平懸臂和一級擺桿組成，懸臂由電機(jī)驅(qū)動在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動，通過耦合作用帶動擺桿轉(zhuǎn)動。 假設(shè)水平式旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)中，懸臂的長度和質(zhì)量分別是L1、m1，相對其水平方向零位的角位移為1，角速度為，擺桿的長度和質(zhì)量分別為L2、m2，相對其豎直方向零位的角位移為2 角速度為，電位器質(zhì)量為m3.建立如下圖所示坐標(biāo)系。1.系統(tǒng)總動能（1） 擺桿動能 旋臂和擺桿的連接點為B，對于距B點l2處，長為dl的一小段，其坐標(biāo)為： (2-3) 3. 拉格朗日方程 由以上分析知，拉格朗日算子 (2-8) (2-9) (2-11) (2-12) (2-13) (2-14) （2-15）3.2 PID控

14、制器C語言算法int kp,ki,kd,e2,e1,sume,u; /PID控制參數(shù) kp:比例系數(shù) ki:積分系數(shù) kd:微分系數(shù) /e0:當(dāng)前偏差 e1:前一次偏差 e2:前二次偏差 sume:偏差累積和int PID1() /增量式PID控制算法: 只需要當(dāng)前時刻以前3個時刻的誤差， /計算誤差與精度不足時對控制量的計算影響較小 int e0; int u; e0=seti-Stemp; /當(dāng)前偏差=設(shè)定液位值 - 當(dāng)前實時液位值 e2=e1;e1=e0; u=kp*(e0-e1) + ki*e0 + kd*(e0-2*e1+e2); if(u<30) u=30; /對應(yīng)電壓或電機(jī)

15、的死區(qū)范圍，需測試 if(u>PWM_MAX) u=PWM_MAX-10;/對應(yīng)最大PWM限制或電壓死區(qū)，需測試 return u;/設(shè)置PWM脈沖數(shù)據(jù)3.3主程序流程圖程序流程圖見下圖示程序流程圖示四、測試方案與測試結(jié)果 1、測試過程根據(jù)電路圖連接好硬件電路，下載程序到STC12C5A60S2單片機(jī)中，觀察擺桿擺動角度，通過對程序的調(diào)試，實時調(diào)試擺桿擺動角度，以達(dá)到技術(shù)要求，使擺桿擺動角度加大直至可以做圓周運(yùn)動，且可以實現(xiàn)倒立。 2、測試儀器數(shù)字示波器，穩(wěn)壓電源，精密電壓表。 3、測試結(jié)果可以使達(dá)到基本要求（1）、（2），完成60°轉(zhuǎn)角和圓周運(yùn)動，采用機(jī)理法建模和模糊數(shù)學(xué)控制

16、，加入PID控制器可以完成基本要求（3），發(fā)揮部分（1）、（2）、（3），并且加入數(shù)碼管顯示，可以顯示出擺桿的角度位置。 4、數(shù)據(jù)處理 表4-1擺桿角度與電位器阻值關(guān)系擺桿距中心角度差/度-30-1501530ADchange值500465410365325由表4-1擬合出近似的曲線 5、誤差分析倒立擺系統(tǒng)是非線性、強(qiáng)耦合、多變量和自然不穩(wěn)定的系統(tǒng)。在控制過程中，作為一個被控對象, 它又相當(dāng)復(fù)雜, 就其本身而言, 是一個不穩(wěn)定、多變量、非線性和強(qiáng)耦合系統(tǒng), 為了準(zhǔn)確控制倒立擺，采用機(jī)理法建立數(shù)學(xué)模型，近似化后加入PID控制器，這種處理方法本身會引入誤差；另外建立數(shù)學(xué)模型所需的一些數(shù)據(jù)又難以準(zhǔn)確

17、測量，會使誤差增加；調(diào)試過程中，PID控制器的建立依靠大量實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)本身及數(shù)據(jù)處理的誤差都是該系統(tǒng)的誤差來源。5、 結(jié)論、心得體會倒立擺系統(tǒng)能夠完成基本部分和部分發(fā)揮部分的要求，運(yùn)行平穩(wěn)，但是調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的抗外界干擾性較差，電機(jī)的控制不能完全達(dá)到理想狀態(tài)，我們對所有問題的考慮不完全，最后對于倒立擺的控制程序有待優(yōu)化。通過這次競賽，我們學(xué)到了倒立擺的整體制作，意識到系統(tǒng)各個模塊的良好運(yùn)行至關(guān)重要，不允許出現(xiàn)模塊的“或許“好使的現(xiàn)象，特別是硬件部分要達(dá)到一定的精確度。同時在完成題目設(shè)計要求的過程中，我們也意識到了自己和別人的差距，今后我們會再接再厲，努力達(dá)到更高的水平。附錄：1、電路設(shè)計原理圖 1.1最小系統(tǒng)原理圖（串口部分） 1.2電機(jī)驅(qū)動L298N原理圖 1.3角