旋轉(zhuǎn)倒立擺設(shè)計(jì)報(bào)告

1、控制專(zhuān)題訓(xùn)練階段性報(bào)告旋轉(zhuǎn)倒立擺設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 2017年5月24日III摘 要本系統(tǒng)以由stm32f103單片機(jī)作為中心控制系統(tǒng)，由精密電位器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源電路組成。角度監(jiān)測(cè)模塊采用采用雙向編碼器，實(shí)時(shí)測(cè)量擺桿與垂直方向的夾角；電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分使用TB6612驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)較精確地控制擺桿的靈敏度；具有操作簡(jiǎn)單，控制界面直觀、簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，工作可靠，功耗低，具有良好的人機(jī)交互性能。關(guān)鍵字：STM32f103RC 精密電位器 TB6612 目 錄一、系統(tǒng)方案11、擺架框架的論證與選擇12、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇12、角度傳感器的選擇 1二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算11、電機(jī)型號(hào)選

2、擇12、擺桿狀態(tài)監(jiān)測(cè)13、算法控制1（1）比例控制規(guī)律1（2）比例積分控制規(guī)律1（3）比例微分控制規(guī)律1（4）比例積分微分控制規(guī)律1三、電路與程序設(shè)計(jì)21、電路的設(shè)計(jì)2（1）系統(tǒng)總體框圖2（2）PID算法子系統(tǒng)框圖2（3）主控制器模塊設(shè)計(jì)2（4）電源32、程序的設(shè)計(jì)3（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路3（2）程序流程圖3四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果31、測(cè)試方案與論證32、測(cè)試條件與儀器43、測(cè)試結(jié)果及分析4（1）測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))4（2）測(cè)試分析與結(jié)論4五、參考文獻(xiàn)4附錄1：電路原理圖5附錄2：源程序6一、系統(tǒng)方案本題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置，它由三部分構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-1：擺架系統(tǒng)：

3、支架，擺桿，底座，平板，旋轉(zhuǎn)臂，旋轉(zhuǎn)臂連接擺桿頂部固定在電機(jī)上；驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)，直流電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電源，用以控制電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)；檢測(cè)系統(tǒng)：通過(guò)精密電位器檢測(cè)出擺桿與垂直方向的傾角，將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。1、擺架框架的選擇方案一：采用木板做擺桿，材料方便，制作簡(jiǎn)單，質(zhì)量較小，盡管在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣阻力對(duì)其有影響，木質(zhì)材料的擺桿較輕，可以適當(dāng)?shù)募狱c(diǎn)配重，增加其慣性，更加方便電機(jī)對(duì)其旋擺隨時(shí)的控制。方案二：采用碳纖維桿做擺桿，相對(duì)于木質(zhì)材料來(lái)說(shuō)，碳纖維桿較細(xì)，表面光滑，質(zhì)量與木質(zhì)材料不差上下，如加以配重，重心偏移比木質(zhì)材料大。為更好保持穩(wěn)定，減少系統(tǒng)本身可能導(dǎo)致的誤差，綜合以上兩種方案，

4、選擇方案二。2、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇方案一：采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)，即齒輪減速電機(jī)，是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時(shí)，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)能夠通過(guò)給定的脈沖周期，實(shí)現(xiàn)任意速度的轉(zhuǎn)動(dòng)，定矩運(yùn)動(dòng)較精確。但是靈活性低，且轉(zhuǎn)速慢。在此高靈活控制情況下難以滿足要求。考慮到靈活性和精確度，綜合以上兩種方案，選擇方案一。3、角度傳感器的選擇方案一：采用單軸傾角傳感器，它的最大刷新率為20ms,能夠檢測(cè)出垂直傾角，即在能以最大50Hz的采樣頻率把角度值反饋給單片機(jī)。但是在擺桿做周旋轉(zhuǎn)的情況

5、下，導(dǎo)線嚴(yán)重的影響了擺桿的旋轉(zhuǎn)，并且導(dǎo)線在旋轉(zhuǎn)的情況下可能會(huì)引起一系列的后果。方案二：采用編碼器作為角度傳感器，雙向編碼器可以測(cè)出旋轉(zhuǎn)角度及其運(yùn)動(dòng)方向，只需一個(gè)編碼器直接安裝在旋轉(zhuǎn)臂的一端，編碼器的轉(zhuǎn)軸連接擺桿，代替了轉(zhuǎn)軸的制作，安裝方便。方案三：使用精密電位器做角度傳感器，使用方便，加3.3V電壓就可以直接讀出讀數(shù)，使用stm32內(nèi)部ad讀取，精度較高且可以很快讀取。考慮到題目要求擺桿的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)要有較高的靈活性，且不能影響擺桿的運(yùn)動(dòng)，綜合以上三種方案，選擇方案三。二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、電機(jī)型號(hào)選擇 由于本次設(shè)計(jì)要求電機(jī)靈敏性高，并且扭矩大，所以本次設(shè)計(jì)選擇減速直流電機(jī)。在普通直流電機(jī)的

6、基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。適合本次設(shè)計(jì)要求的扭矩大、動(dòng)作快的要求。2、擺桿狀態(tài)監(jiān)測(cè) 出于旋轉(zhuǎn)要求的限制，通過(guò)導(dǎo)線將角度傳感器固定在擺桿上的測(cè)試方法已經(jīng)不能滿足要求了，本次設(shè)計(jì)采用了精密電位器，它是利用電位器原理，旋轉(zhuǎn)主軸可以改變接入電阻值的設(shè)備。根據(jù)電壓的分壓原理，使用AD讀取接入部分的電壓就可以檢測(cè)接入部分的角度。用他可以實(shí)現(xiàn)角位移及其他物理量的精確測(cè)量,具有精度高、測(cè)量范圍廣、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。3、算法控制本次設(shè)計(jì)的算法是基于PID算法上進(jìn)行的。PID是一個(gè)有比例(P)、積分(I)、微分(D)控制閉環(huán)控制算法（1）比例控制規(guī)律P：采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動(dòng)的

7、影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動(dòng)的影響，但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場(chǎng)合。如：金彪公用工程部下設(shè)的水泵房冷、熱水池水位控制；油泵房中間油罐油位控制等。（2）比例積分控制規(guī)律(PI)：在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合。如：在主線窯頭重油換向室中F1401到F1419號(hào)槍的重油流量控制系統(tǒng)；油泵房供油管流量控制系統(tǒng)；退火窯各區(qū)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。（3）比例微

8、分控制規(guī)律(PD)：微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成分控制。需要說(shuō)明一點(diǎn)，對(duì)于那些純滯后較大的區(qū)域里，微分項(xiàng)是無(wú)能為力，而在測(cè)量信號(hào)有噪聲或周期性振動(dòng)的系統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。如：大窯玻璃液位的控制。（4）例積分微分控制規(guī)律(PID)：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制

9、通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場(chǎng)合。如溫度控制、成分控制等。三、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，圖1 系統(tǒng)總體框圖（2）PID算法控制子系統(tǒng)框圖圖2 PID算法控制子系統(tǒng)框圖（3）主控制器模塊設(shè)計(jì)電路圖如下圖所示（4）電源電源由航模電池供電，由變壓部分，濾波部分，穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供5V和3.3V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。航模電池的電壓約為11.1V，使用一個(gè)dc-dc模塊將電壓將為5V，再使用一個(gè)asm1117-3.3V芯片產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的3.3V電壓，對(duì)兩部分電源都進(jìn)行電容濾波進(jìn)行穩(wěn)壓，從而完成對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)，直流減速電機(jī)等設(shè)備的供

10、電。2、程序的設(shè)計(jì)（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述本系統(tǒng)主要通過(guò)stm32單片機(jī)來(lái)控制電路的鍵盤(pán)輸入，旋轉(zhuǎn)倒立狀態(tài)控制的算法，顯示操作等功能，通過(guò)光電編碼器檢測(cè)擺桿與垂直方向的夾角。TB6612驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)。通過(guò)鍵盤(pán)輸入系統(tǒng)的工作模式，并通過(guò)LCD直觀地顯示當(dāng)前工作模式及參數(shù)。 2、程序設(shè)計(jì)思路驅(qū)動(dòng)配置完成之后。程序通過(guò)精密電位器將當(dāng)前系統(tǒng)的角度值讀取回來(lái)，根據(jù)PID算法，將直流減速電機(jī)的角度修正值計(jì)算出來(lái)，再將改修正值通過(guò)pwm波發(fā)送給舵機(jī)，使電機(jī)的角度值改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的倒立控制。（2）程序流程圖1、主程序流程圖2、PID計(jì)算子程序流程圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)

11、試方案與論證（1）硬件測(cè)試：硬件測(cè)試時(shí)，先用萬(wàn)用表檢測(cè)印制板及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無(wú)虛焊及線路間有無(wú)短路、斷路，檢查無(wú)誤后，可通電檢測(cè)電源部分是否正常工作。用手旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臂和擺桿，檢測(cè)是否旋轉(zhuǎn)正常，有沒(méi)有偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。（2）硬件軟件聯(lián)調(diào)： 第一次，我們?cè)O(shè)置擺桿的旋轉(zhuǎn)為模式1，擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)（擺角0u65289X開(kāi)始，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動(dòng)，并盡快使擺角達(dá)到或超過(guò)-60 +60第二次，設(shè)置擺桿的工作為模式2，從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，盡快增大擺桿的擺動(dòng)幅度，直至完成圓周運(yùn)動(dòng)；第三次，在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近，外力撤除同時(shí)，啟動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立

12、狀態(tài)時(shí)間不少于 5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不大于 90論證：由于制作的是機(jī)械系統(tǒng)，若系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行指標(biāo)滿足題目要求，則系統(tǒng)的測(cè)試2、測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，上電之后運(yùn)行系統(tǒng)檢查系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和系統(tǒng)精度。測(cè)試儀器：數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，指針式萬(wàn)用表。3、測(cè)試結(jié)果及分析此設(shè)計(jì)采用編碼器作為角度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合stc12單片機(jī)編程，對(duì)系統(tǒng)各電路和實(shí)際運(yùn)行的測(cè)試，根據(jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)看到了擺桿的不同擺動(dòng)狀態(tài)，由此可以得出以下結(jié)論：系統(tǒng)精度相對(duì)來(lái)說(shuō)還好，由于增加了LCD顯示當(dāng)前信息，顯示清晰醒目，靈活性較大。五、參考文獻(xiàn)1譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,201211附錄1：電路原理圖附錄2：源程序void TIM1_UP_TIM16_IRQHandler(void) if(TIM1-S