旋转倒立摆设计报告

控制专题训练阶段性报告旋转倒立摆设计

学生姓名：

2017年5月24日

摘要

本系统以由stm32f103单片机作为中心控制系统，由精密电位器、电机驱动模块、电源电路组成。角度监测模块采用采用双向编码器，实时测量摆杆与垂直方向的夹角；电机驱动部分使用TB6612驱动芯片驱动直流电机较精确地控制摆杆的灵敏度；具有操作简单，控制界面直观、简洁，系统性能指标达到了设计要求，工作可靠，功耗低，具有良好的人机交互性能。

关键字：STM32f103RC 精密电位器TB6612

目录

一、系统方案 (1)

1、摆架框架的论证与选择 (1)

2、驱动电机的选择 (1)

2、角度传感器的选择 1

二、系统理论分析与计算 (2)

1、电机型号选择 (2)

2、摆杆状态监测 (2)

3、算法控制 (2)

（1）比例控制规律....................................................................... 错误！未定义书签。

（2）比例积分控制规律............................................................... 错误！未定义书签。

（3）比例微分控制规律............................................................... 错误！未定义书签。

（4）比例积分微分控制规律....................................................... 错误！未定义书签。

三、电路与程序设计 (2)

1、电路的设计 (3)

（1）系统总体框图 (3)

（2）PID算法子系统框图 (4)

（3）主控制器模块设计 (4)

（4）电源 (5)

2、程序的设计 (5)

（1）程序功能描述与设计思路 (5)

（2）程序流程图 (6)

四、测试方案与测试结果 (7)

1、测试方案与论证 (7)

2、测试条件与仪器 (8)

3、测试结果及分析 (8)

（1）测试结果(数据) .................................................................... 错误！未定义书签。

（2）测试分析与结论................................................................... 错误！未定义书签。

五、参考文献 (8)

附录1：电路原理图 (9)

附录2：源程序 (10)

一、系统方案

本题目要求设计一个简易旋转倒立摆及其控制装置，它由三部分构成，系统构成如图1-1：①摆架系统：支架，摆杆，底座，平板，旋转臂，旋转臂连接摆杆顶部固定在电机上；②驱动控制系统：单片机，直流电机，电机驱动器，电源，用以控制电机带动旋转臂转动；③检测系统：通过精密电位器检测出摆杆与垂直方向的倾角，将数据传给单片机。

1、摆架框架的选择

方案一：采用木板做摆杆，材料方便，制作简单，质量较小，尽管在做旋转运动时，空气阻力对其有影响，木质材料的摆杆较轻，可以适当的加点配重，增加其惯性，更加方便电机对其旋摆随时的控制。

方案二：采用碳纤维杆做摆杆，相对于木质材料来说，碳纤维杆较细，表面光滑，质量与木质材料不差上下，如加以配重，重心偏移比木质材料大。

为更好保持稳定，减少系统本身可能导致的误差，综合以上两种方案，选择方案二。

2、驱动电机的选择

方案一：采用直流减速电机，直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。

方案二：采用步进电机，步进电机能够通过给定的脉冲周期，实现任意速度的转动，定矩运动较精确。但是灵活性低，且转速慢。在此高灵活控制情况下难以满足要求。

考虑到灵活性和精确度，综合以上两种方案，选择方案一。

3、角度传感器的选择

方案一：采用单轴倾角传感器，它的最大刷新率为20ms,能够检测出垂直倾角，即在能以最大50Hz的采样频率把角度值反馈给单片机。但是在摆杆做周旋转的情况下，导线严重的影响了摆杆的旋转，并且导线在旋转的情况下可能会引起一系列的后果。

方案二：采用编码器作为角度传感器，双向编码器可以测出旋转角度及其运动方向，只需一个编码器直接安装在旋转臂的一端，编码器的转轴连接摆杆，代替了转轴的制作，安装方便。

方案三：使用精密电位器做角度传感器，使用方便，加3.3V电压就可以直接读出读数，使用stm32内部ad读取，精度较高且可以很快读取。

考虑到题目要求摆杆的旋转，同时要有较高的灵活性，且不能影响摆杆的运动，

综合以上三种方案，选择方案三。

二、系统理论分析与计算

1、电机型号选择

由于本次设计要求电机灵敏性高，并且扭矩大，所以本次设计选择减速直流电机。在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱，提供较低的转速，较大的力矩。适合本次设计要求的扭矩大、动作快的要求。

2、摆杆状态监测

出于旋转要求的限制，通过导线将角度传感器固定在摆杆上的测试方法已经不能满足要求了，本次设计采用了精密电位器，它是利用电位器原理，旋转主轴可以改变接入电阻值的设备。根据电压的分压原理，使用AD读取接入部分的电压就可以检测接入部分的角度。用他可以实现角位移及其他物理量的精确测量,具有精度高、测量范围广、使用可靠等优点。

3、算法控制

本次设计的算法是基于PID算法上进行的。PID是一个有比例(P)、积分(I)、微分(D)控制闭环控制算法

（1）比例控制规律P：

采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制；油泵房中间油罐油位控制等。

（2）比例积分控制规律(PI)：

在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统；油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等。

（3）比例微分控制规律(PD)：

微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如：加热型温度控制、成分控制。需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。如：大窑玻璃液位的控制。

（4）例积分微分控制规律(PID)：

PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后

较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。

三、电路与程序设计

1、电路的设计

（1

图1系统总体框图

（2）PID算法控制子系统框图

图2 PID算法控制子系统框图

（3）主控制器模块设计

电路图如下图所示

（4）电源

电源由航模电池供电，由变压部分，滤波部分，稳压部分组成。为整个系统提供5V和3.3V电压，确保电路的正常稳定工作。航模电池的电压约为11.1V，使用一个dc-dc 模块将电压将为5V，再使用一个asm1117-3.3V芯片产生一个稳定的3.3V电压，对两部分电源都进行电容滤波进行稳压，从而完成对单片机系统，直流减速电机等设备的供电。

2、程序的设计

（1）程序功能描述与设计思路

1、程序功能描述

本系统主要通过stm32单片机来控制电路的键盘输入，旋转倒立状态控制的算法，显示操作等功能，通过光电编码器检测摆杆与垂直方向的夹角。TB6612驱动电机实现旋转臂的旋转。通过键盘输入系统的工作模式，并通过LCD直观地显示当前工作模式及参数。

2、程序设计思路

驱动配置完成之后。程序通过精密电位器将当前系统的角度值读取回来，根据PID 算法，将直流减速电机的角度修正值计算出来，再将改修正值通过pwm波发送给舵机，使电机的角度值改变，实现对系统的倒立控制。

（2

1、测试方案与论证

（1）硬件测试：硬件测试时，先用万用表检测印制板及焊接的质量是否符合要求，有无虚焊及线路间有无短路、断路，检查无误后，可通电检测电源部分是否正常工作。用手旋转转臂和摆杆，检测是否旋转正常，有没有偏转的现象。

（2）硬件软件联调：

第一次，我们设置摆杆的旋转为模式1，摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°\u65289X 开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~ +60°

第二次，设置摆杆的工作为模式2，从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆

的摆动幅度，直至完成圆周运动；

第三次，在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于 5s；期间旋转臂的转动角度不大于 90°论证：由于制作的是机械系统，若系统能够稳定运行，运行指标满足题目要求，则系统的测试

2、测试条件与仪器

测试条件：检查多次，上电之后运行系统检查系统的运行稳定性和系统精度。

测试仪器：数字示波器，数字万用表，指针式万用表。

3、测试结果及分析

此设计采用编码器作为角度传感器进行检测，结合stc12单片机编程，对系统各电路和实际运行的测试，根据相应的实验看到了摆杆的不同摆动状态，由此可以得出以下结论：系统精度相对来说还好，由于增加了LCD显示当前信息，显示清晰醒目，灵活性较大。

五、参考文献

[1]谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012

附录1：电路原理图

附录2：源程序

void TIM1_UP_TIM16_IRQHandler(void)

{

if(TIM1->SR&0X0001)

{

TIM1->SR&=~(1<<0);

readEncoder();

adc=Get_Adc(0);

angler=(adc-zhongzhi)*360/4096;

printf("%d\n",Encoder_Left);

Balance_Pwm=balance(adc,zhongzhi);

Velocity_Pwm=velocity(Encoder_Left);

Moto1=Balance_Pwm+Velocity_Pwm;

Xianfu_Pwm();

Set_Pwm(Moto1);

}

}

int balance(int adc, int target)

{

static int Last_Bias;

static long adc_Integral;

int balance,Bias;

Bias=adc-target;

adc_Integral=adc_Integral*0.5+Bias*0.5;

if(adc_Integral>200) adc_Integral=200;

if(adc_Integral<-200) adc_Integral=-200;

balance=100*Bias+adc_Integral*30+20*(Bias-Last_Bias);

Last_Bias=Bias;

return balance;

}

int velocity(int encoder_left)

{

static int Velocity,Encoder_Least,Encoder,Movement;

static long Encoder_Integral;

if(1==Flag_Qian) Movement=-900;

else if(1==Flag_Hou) Movement=900;

else Movement=0;

Encoder_Least =Encoder_Left;

Encoder *= 0.4;

Encoder += Encoder_Least*0.6;

Encoder_Integral+=Encoder;

Encoder_Integral=Encoder_Integral-Movement;

if(Encoder_Integral>500) Encoder_Integral=500;

if(Encoder_Integral<-500) Encoder_Integral=-500;

Velocity=-Encoder*10-Encoder_Integral*0.8;

return Velocity;

}