简易旋转倒立摆及控制装置电子设计(编辑修改稿)

简易旋转倒立摆及控制装置电子设计(编辑修改稿)内容摘要：

中断系统不 是非常稳定。 方案 2：采用飞思卡尔 K60 单片机作为主控芯片。 其工作电压 较低，频率可达200MHz，系统稳定，外设功能丰富， I/O 接口数可以满足设计要求。 同时，参赛成员对其具有一定的使用经验。 综上所述，我们采用飞思卡尔 K60 作为主控芯片。 电动机的选择： 方案 1：使用伺服电机。 伺服电机响应速度快，线性度好，非常适宜此类问题，由于条件所限，放弃此种方案。 方案 2：使用直流减速电机作为控制电机。 直流电机控制方便，使用单片机的 PWM接口配合电机驱动即可方便控制。 由于直流电机转速很大，所以负载工作时需要配合减速器一起使用。 减速器可以降低电机转速，增大力矩，方便控制。 同时 ，这种电机也较为常见，成本较低。 方案 3：采用步进电机。 步进电机控制精确，可以方便地控制电机的转角，非常适合精准的控制应用场合。 但是步进电机的扭矩较小，同时如果高速运行还可能产生振动，这样反而不利于进行控制。 综上，我们选择了直流减速电机。 角度测量方案的选择： 方案 1：采用专用角度传感器。 这种传感器可以将角度量转换为电平值，我们可以直接从 AD 中读取角度值，非常便于角度测定。 但是由于实验室条件限制，无法采取此种方式。 方案 2：旋转臂与电机连接处使用双向编码器，摆杆与转轴之间也采用双向编码器。 这样，通过读取单片机的计数模块再经过简单的正负判断处理就可以很容易测得两转轴处的角度变化。 但是我们使用的编码器只有 500 线。 在实际应用中，我们发现摆杆转轴处角度的检测精度无法满足摆杆的控制要求。 综合考虑实验室现有条件，我们设计了方案 3。 4 方案 3：旋转臂与电机连接处使用双向编码器，摆杆上固定 陀螺仪 加速度计模块 ，陀螺仪可以直接测得角速度，而其对时间的积分即为当前偏离角度。 由于陀螺仪在运行过程中容易受到温度的影响，使得积分值变得不准确，所以需要引入加速度计的值来对陀螺仪积分产生的角度进行纠正。 通过陀螺仪角 速度的积分值与加速度计互补融合，配置合理的参数，即可测得反应当前角度的量。 这样，就可以比较精确地检测出摆杆当前的角度了。 2 系统理论分析与计算 电动机选型 由于条件限制，在没有伺服电机的情况下，我们使用了带减速齿轮的 RS385S 直流电机。 相比伺服电机，直流减速电机定位性能稍差。 RS385S 直流电机负载转速为15000rpm177。 10%，可以较快地响应控制。 其负载电流为 ，两片 BTN7971B 搭成的 H桥驱动模块可以满足其电流需求，同时实验中我们发现如果堵转，电流增大，驱动芯片电路也可以自动断电，使 电机得到保护。 另外， RS385S 直流电机带减速器后力矩很大，可以快速带动一定质量的负载，使得系统的响应速度可以满足要求。 摆杆状态检测 摆杆状态检测我们采用了加速度计与陀螺仪配合的方式进行测量。 我们在摆杆上固定陀螺仪 加速度计模块，陀螺仪可以直接测出角速度，也就是说我们可以通过对陀螺仪速度的累加而感知摆杆角度的变化情况。 但是陀螺仪在累加过程中累积值会受温度影响而变化，这就需要我们使用加速度计进行校正，即在陀螺仪积分的过程中定期与加速度计测量值进行比较，不断纠正陀螺仪数据的飘移。 对于加速度计来说，它的 值不够平滑，所以不能准确反映当前角度值，但是加速计值不会产生较大的飘移。 两者融合我们采用了较为简单的互补滤波，从而得到摆杆角度变化信息。 同时我们知道角速度就是角度的微分，这样，在求对摆杆控制的 PID 运算的微分值时，我们可以直接使用陀螺仪采集回来的摆杆的角速度值。 实验中我们发现这种方式可以比较灵敏而准确地反应摆杆角度信息。 5 图 3 陀螺仪 加速度计测 角度方法 驱动与控制算法 根据所学经典控制理论与现代控制理论方面的知识，我们选定了两种基本控制方案。 方案 1：采用 PID控制方案。 经典控制理论的研究 对象主要是单输入单输出的系统， 控制器设计时一般需要有关被控对象的较精确模型。 PID 控制器因其结构简单，容易调节，且不需要对系统建立精确的模型，在实际控制中应用较广。 在控制理论和技术高速发展的今天，工业过程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 结构，并且许多高级控制都是以 PID 控制为基础的。 实现算法时，我们可以测量摆杆的偏角，将其信息反馈给微处理器，通过 PID 算法校正消除输出与给定值的偏差，实现对摆杆运动的控制。 另外，由于 PID 是单输入单输出系统，所以只能控制摆杆平。