電子設計大賽培訓簡易旋轉倒立擺及其控制裝置.doc

簡易旋轉倒立擺及其控制裝置 簡易旋轉倒立擺及其控制裝置摘 要本系統(tǒng)設計實現(xiàn)了一種單輸入，單輸出的旋轉式倒立擺閉環(huán)控制系統(tǒng)。它通過改變伺服電機的轉速來實現(xiàn)擺桿倒立，而擺桿的轉角則作為調節(jié)電機轉速的參數(shù)。本系統(tǒng)以MSP430F149單片機為控制核心，硬件包括電源模塊，單片機控制模塊、按鍵選擇模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電機驅動模塊、角度檢測模塊。首先由按鍵選擇倒立擺的工作模式，單片機通過驅動控制電機的轉速，改變擺桿的轉角。編碼器檢測擺桿的轉角，將數(shù)據(jù)反饋給單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行分析處理后輸出PFM波調節(jié)電機轉速。軟件部分應用C語言實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能，采用位置式PID控制算法進行數(shù)據(jù)處理。關鍵詞：旋轉倒立擺；編碼器；PID1 方案論證與比較1.1 系統(tǒng)總方案描述本系統(tǒng)主要包括電源模塊，單片機控制模塊，按鍵選擇模塊、電機驅動模塊、角度檢測模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。系統(tǒng)以MSP430F149單片機為控制核心，采用36V直流電給驅動供電。由按鍵選擇倒立擺的工作模式，單片機通過驅動控制電機轉動，電機上裝有20cm的旋轉臂，電機高速旋轉帶動旋轉臂。旋轉臂與擺桿之間裝編碼器，編碼器檢測擺桿的轉角，并將數(shù)據(jù)反饋給單片機，位置式PID控制算法對數(shù)據(jù)處理后，單片機輸出PFM波控制驅動改變伺服電機的轉速。圖1-1為系統(tǒng)總體框圖。圖1-1 系統(tǒng)總體框圖控制模塊的論證與比較方案一：采用51單片機作為本系統(tǒng)的主控制芯片。51系列單片機功耗較高，8位微型處理器運算速度慢，無硬件乘法器，片內資源少。但價格低廉，使用簡單。方案二：采用MSP430F149.單片機作為本系統(tǒng)的主控制芯片MSP430F149單片機德州儀器開發(fā)的一種超低功耗微控制器，它是一款16位單片機，內含12位快速ADC，只需外接一個電阻、一個電容即可實現(xiàn)高精度斜率A/D轉換。并且具有運算速度快，精度高，執(zhí)行能力強，中斷源多等優(yōu)點。綜上兩種方案，MSP430F149單片機比51單片機運算速度快，精度高，處理能力強，功耗低，大大降低了復雜度，整個系統(tǒng)的性價比也很高，我們選擇方案二。1.3 電機驅動模塊的論證與比較1.3.1 電機的選擇與論證方案一：采用BLM57180伺服電機。BLM57180伺服電機具有良好的啟動、制動和調速能力。可方便在寬范圍內實現(xiàn)平滑無極調速。啟動轉矩大，轉速快、易控制，但需要維護，會產生電磁波干擾，成本高.方案二：步進電機。步進電機的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。綜上兩種方案，倒立擺的控制需要電機有足夠的扭矩，步進電機負載能力較小，雖然可以通過外加加速齒輪來實現(xiàn)，但比較費時費力。而BLM57180伺服電機雖然成本高，但性能高，轉矩大，適合本系統(tǒng)對電機的要求故選擇方案二。1.3.1 電機驅動的選擇與論證方案一：采用THB6064H驅動模塊。THB6064H是一款專業(yè)的PWM斬波兩相步進電機驅動芯片。它內部集成了細分、衰減模式設置、電路調節(jié)、CMOS功率放大等電路，配合簡單的外圍電路即可實現(xiàn)高性能、多細分、大電流的驅動電路。適合驅動57、86型步進電機。方案二：采用以L298N為主芯片的驅動電路。L298N是ST公司生產的一種二相和四相電機的專用驅動器。L298N是可以承受高壓大電流的雙全橋式驅動器，輸出電流大，功率大，可以同時控制兩個電機，價格適中，是比較實用的電機驅動模塊。方案三：采用ACS606驅動。ACS606是一款簡化接口的交流伺服驅動器，在控制接口方面提供脈沖、方向、使能三個信號，專為位置控制模式設計，額定轉速達3000rpm，低速可達1rpm，全速度段高平穩(wěn)低噪音，徹底解決步進丟步、發(fā)熱、噪音等問題。綜上三種方案，本系統(tǒng)采用ACS606驅動。因為我們選擇了BLM57180伺服電機，而ACS606驅動是一款為伺服電機所設計的驅動，而L298N、THB6064H更適用于步進和直流電機。1.4 角度檢測模塊的論證與比較方案一：采用導電塑料角位移傳感器WDS35D。WDS35D傳感器采用特殊形狀的轉子和繞線線圈，模擬線性可變差動傳感器的線性位移。WDS35D測量范圍為0360，輸出電壓范圍輸入電壓有關，輸出精度為1mv，測量精度為0.1，線性度好，長期穩(wěn)定性好，靈敏度高，可以實現(xiàn)對角位移的精確測量。方案二：采用型號為HN3860A5V1024的絕對值編碼器。HN3860A5V1024絕對編碼器由機械位置確定編碼，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高。綜上兩種方案，WDS35D和HN3806A5V1024編碼器都可以實現(xiàn)對角位移的精確測量，但HN3806A5V1024編碼器卻更容易控制，且抗干擾，數(shù)據(jù)可靠，適合本設計對角度傳感器的要求，故我們選擇方案二。2 硬件設計及理論分析2.1 PID控制算法理論分析系統(tǒng)要實現(xiàn)倒立功能，單片機對角度數(shù)據(jù)的處理是為重要的。本系統(tǒng)采用位置式PID控制算法對編碼器所測角度數(shù)據(jù)進行處理，并以此作為參數(shù)調節(jié)電機的轉速，最終實現(xiàn)擺桿倒立。PID調節(jié)是一種線性調節(jié)，它將給定值與實際輸出值的偏差的比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學模型，控制理論和其他技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID技術最為方便，即使當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或是不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，也適合采用PID控制技術，PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分進行計算。在本系統(tǒng)中被控對象為擺桿，其數(shù)學模型以及理論計算并不容易，故我們采用位置式PID控制算法對編碼器所測角度數(shù)據(jù)進行處理其中P為比例系數(shù)；I為角度誤差的積分系數(shù)；D為微分系數(shù)。輸出量=P*角度誤差n+D/dt*（角度誤差n-角度誤差n-1）系統(tǒng)控制框圖如2-1所示。 圖2-1 系統(tǒng)控制框圖2.2 單片機控制模塊設計基于MSP430F149單片機的主控電路，MSP430F149是德州儀器開發(fā)的一種超低功耗微控制器，16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，實現(xiàn)了最大化的代碼效率。MSP430F149單片機還具有處理能力強，功耗低，執(zhí)行能力強，中斷源多等優(yōu)點。在整個系統(tǒng)中由MSP430F149單片機控制實現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)的采集，角度數(shù)據(jù)的的處理，電機的驅動。圖2-2為MSP430F149單片機最小系統(tǒng)電路圖。圖2-2 MSP430F149單片機最小系統(tǒng)電路圖2.3 電機驅動模塊設計本系統(tǒng)采用ACS606驅動模塊驅動BLM57180伺服電機作為系統(tǒng)的執(zhí)行機構。單片機接收編碼器所測得的擺桿轉角，采用PID控制算法對此數(shù)據(jù)處理，輸出PFM波控制ACS606驅動模塊驅動電機。ACS606是雷賽一款簡化接口的交流伺服驅動器，其在控制接口方面提供了脈沖、方向、使能三個信號，專為位置控制模式設計，最高速度可達3500rpm，克服了步進丟步，發(fā)熱，噪音等問題。圖2-3為驅動與電機及單片機連接的電路圖。圖2-3 驅動與電機及單片機連接的電路圖2.4 角度檢測模塊設計本系統(tǒng)采用型號為HN3806A5V1024的絕對值編碼器作為測量角度的傳感器。編碼器將測量的擺桿轉角反饋給單片機，單片機作出相應的響應。HN3806A5V1024絕對式編碼器輸出與位置相對應的代碼，單片機根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。從代碼數(shù)大小的變化可以判別正反方向和位移所處的位置，絕對零位代碼可以用于停電位置記憶。片機通過讀取編碼器碼值的變化測量角度。圖2-4為編碼器與單片機的連接電路圖。圖2-4 編碼器與單片機的連接電路圖3 系統(tǒng)軟件設計程序主要起導向和決策的作用，它控制整個系統(tǒng)穩(wěn)定協(xié)調的運作。在本系統(tǒng)中，對各個模塊的調試采用分步進行，確定各個模塊的獨立工作完整性，然后再對整個系統(tǒng)所有模塊進行完糅合，使其完成系統(tǒng)的所有功能。本系統(tǒng)以MSP430F149單片機為控制器，采用C語言對單片機進行編程，系統(tǒng)各種功能主要通過調用具體的子程序來實現(xiàn)。本系統(tǒng)首先由按鍵選擇倒立擺的工作模式，之后單片機通過驅動模塊控制伺服電機轉速進而控制擺桿的轉角。模式二由編碼器將檢測到的擺桿轉角數(shù)據(jù)反饋給單片機，經位置式PID算法處理數(shù)據(jù)后，單片機輸出PFM波控制驅動改變伺服電機的轉速。系統(tǒng)主流程圖如圖3-1所示。圖3-1 主流程圖4 系統(tǒng)測試4.1 主要測試用的儀器在室溫條件下，測試所用儀器如表4-1所示。表4-1 測試儀器編號型號數(shù)量1示波器1臺2萬用表1臺3量角器1個4秒表1臺4.2指標測試結果測試擺桿從處于自然下垂狀態(tài)開始，是否能夠超過60擺動，是否能夠在豎直面內做圓周運動，以及擺桿保持倒立的時間，共測試6組數(shù)據(jù)，如表4-2所示。表4-2 擺桿角度測試結果次數(shù)能否超過60度擺動能否做圓周運動保持倒立的時間(s)1能能52能能63能能74能能65能能56能能64.3測試結果及誤差分析經過測試，本系統(tǒng)基本完成了基礎部分的要求，完成情況如表4-3所示。表4-3 測試結果題目要求完成情況基本部分（1）擺桿從處于自然下垂狀態(tài)開始，驅動電機帶動旋轉臂作往復旋轉使擺桿擺動，并盡快使擺角達到或超過60。完成（2）從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動。完成 續(xù)表 4-3（3）在擺桿處于自然下垂狀態(tài)下，外力拉起擺桿至接近165位置，外力撤除同時，啟動控制旋轉臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于5s；期間旋轉臂的轉動角度不大于90。經過測試，本系統(tǒng)完成了預期的目標。誤差分析，由于MSP430F149自身的精度，外圍電路中非線性元件，編碼器精度導致采集、處理以及最后顯示的值有一定誤差,微處理器對采集到的信號進行PID調節(jié)處理時產生的誤差，轉軸、旋轉臂、擺桿之間有一定的摩擦，這些因素都會造成誤差?？?結經過一周的努力，本組完成了由MSP430F149單片機控制的旋轉式倒立擺裝置。通過測試，擺桿能從處于自然下垂狀態(tài)開始，使擺角達到超過60，完成圓周運動。當外力拉起擺桿至接近165位置，撤除外力同時，啟動控制旋轉臂能使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于5s，期間旋轉臂的轉動角度未超過90在本次設計中我們了解編碼器對角度的測量方法，掌握了PID控制算法。經過努力，我們完整的實現(xiàn)了設計的目標。參考文獻1 全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編M.北京理工大學出版社,2004.82 閻石.數(shù)字電子技術基礎（5版）M.高等教育出版社,20063 童詩白等.模擬電子技術基礎.第3版M.20014 http:/ www.othinking.net5 康華光.電子技術基礎（模擬部分）M.（5版）高等教育出版社,20056 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