簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置 簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置摘 要本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種單輸入，單輸出的旋轉(zhuǎn)式倒立擺閉環(huán)控制系統(tǒng)。它通過改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)擺桿倒立，而擺桿的轉(zhuǎn)角則作為調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的參數(shù)。本系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為控制核心，硬件包括電源模塊，單片機(jī)控制模塊、按鍵選擇模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、角度檢測(cè)模塊。首先由按鍵選擇倒立擺的工作模式，單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變擺桿的轉(zhuǎn)角。編碼器檢測(cè)擺桿的轉(zhuǎn)角，將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后輸出PFM波調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。軟件部分應(yīng)用C語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能，采用位置式PID控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)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(jī)控制模塊，按鍵選擇模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、角度檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為控制核心，采用36V直流電給驅(qū)動(dòng)供電。由按鍵選擇倒立擺的工作模式，單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)上裝有20cm的旋轉(zhuǎn)臂，電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂。旋轉(zhuǎn)臂與擺桿之間裝編碼器，編碼器檢測(cè)擺桿的轉(zhuǎn)角，并將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，位置式PID控制算法對(duì)數(shù)據(jù)處理后，單片機(jī)輸出PFM波控制驅(qū)動(dòng)改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)作為本系統(tǒng)的主控制芯片。51系列單片機(jī)功耗較高，8位微型處理器運(yùn)算速度慢，無硬件乘法器，片內(nèi)資源少。但價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)單。方案二：采用MSP430F149.單片機(jī)作為本系統(tǒng)的主控制芯片MSP430F149單片機(jī)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(jī)，內(nèi)含12位快速ADC，只需外接一個(gè)電阻、一個(gè)電容即可實(shí)現(xiàn)高精度斜率A/D轉(zhuǎn)換。并且具有運(yùn)算速度快，精度高，執(zhí)行能力強(qiáng)，中斷源多等優(yōu)點(diǎn)。綜上兩種方案，MSP430F149單片機(jī)比51單片機(jī)運(yùn)算速度快，精度高，處理能力強(qiáng)，功耗低，大大降低了復(fù)雜度，整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比也很高，我們選擇方案二。1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的論證與比較1.3.1 電機(jī)的選擇與論證方案一：采用BLM57180伺服電機(jī)。BLM57180伺服電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速能力。可方便在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無極調(diào)速。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速快、易控制，但需要維護(hù)，會(huì)產(chǎn)生電磁波干擾，成本高.方案二：步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。綜上兩種方案，倒立擺的控制需要電機(jī)有足夠的扭矩，步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力較小，雖然可以通過外加加速齒輪來實(shí)現(xiàn)，但比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而BLM57180伺服電機(jī)雖然成本高，但性能高，轉(zhuǎn)矩大，適合本系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的要求故選擇方案二。1.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇與論證方案一：采用THB6064H驅(qū)動(dòng)模塊。THB6064H是一款專業(yè)的PWM斬波兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。它內(nèi)部集成了細(xì)分、衰減模式設(shè)置、電路調(diào)節(jié)、CMOS功率放大等電路，配合簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動(dòng)電路。適合驅(qū)動(dòng)57、86型步進(jìn)電機(jī)。方案二：采用以L298N為主芯片的驅(qū)動(dòng)電路。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器。L298N是可以承受高壓大電流的雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，輸出電流大，功率大，可以同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)，價(jià)格適中，是比較實(shí)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。方案三：采用ACS606驅(qū)動(dòng)。ACS606是一款簡(jiǎn)化接口的交流伺服驅(qū)動(dòng)器，在控制接口方面提供脈沖、方向、使能三個(gè)信號(hào)，專為位置控制模式設(shè)計(jì)，額定轉(zhuǎn)速達(dá)3000rpm，低速可達(dá)1rpm，全速度段高平穩(wěn)低噪音，徹底解決步進(jìn)丟步、發(fā)熱、噪音等問題。綜上三種方案，本系統(tǒng)采用ACS606驅(qū)動(dòng)。因?yàn)槲覀冞x擇了BLM57180伺服電機(jī)，而ACS606驅(qū)動(dòng)是一款為伺服電機(jī)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)，而L298N、THB6064H更適用于步進(jìn)和直流電機(jī)。1.4 角度檢測(cè)模塊的論證與比較方案一：采用導(dǎo)電塑料角位移傳感器WDS35D。WDS35D傳感器采用特殊形狀的轉(zhuǎn)子和繞線線圈，模擬線性可變差動(dòng)傳感器的線性位移。WDS35D測(cè)量范圍為0360，輸出電壓范圍輸入電壓有關(guān)，輸出精度為1mv，測(cè)量精度為0.1，線性度好，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，靈敏度高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)角位移的精確測(cè)量。方案二：采用型號(hào)為HN3860A5V1024的絕對(duì)值編碼器。HN3860A5V1024絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置確定編碼，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)角位移的精確測(cè)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(shè)計(jì)對(duì)角度傳感器的要求，故我們選擇方案二。2 硬件設(shè)計(jì)及理論分析2.1 PID控制算法理論分析系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)倒立功能，單片機(jī)對(duì)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(duì)編碼器所測(cè)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并以此作為參數(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)擺桿倒立。PID調(diào)節(jié)是一種線性調(diào)節(jié)，它將給定值與實(shí)際輸出值的偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論和其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID技術(shù)最為方便，即使當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或是不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，也適合采用PID控制技術(shù)，PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分進(jìn)行計(jì)算。在本系統(tǒng)中被控對(duì)象為擺桿，其數(shù)學(xué)模型以及理論計(jì)算并不容易，故我們采用位置式PID控制算法對(duì)編碼器所測(cè)角度數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)控制模塊設(shè)計(jì)基于MSP430F149單片機(jī)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(shí)現(xiàn)了最大化的代碼效率。MSP430F149單片機(jī)還具有處理能力強(qiáng)，功耗低，執(zhí)行能力強(qiáng)，中斷源多等優(yōu)點(diǎn)。在整個(gè)系統(tǒng)中由MSP430F149單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)的采集，角度數(shù)據(jù)的的處理，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。圖2-2為MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖。圖2-2 MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用ACS606驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)BLM57180伺服電機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單片機(jī)接收編碼器所測(cè)得的擺桿轉(zhuǎn)角，采用PID控制算法對(duì)此數(shù)據(jù)處理，輸出PFM波控制ACS606驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)。ACS606是雷賽一款簡(jiǎn)化接口的交流伺服驅(qū)動(dòng)器，其在控制接口方面提供了脈沖、方向、使能三個(gè)信號(hào)，專為位置控制模式設(shè)計(jì)，最高速度可達(dá)3500rpm，克服了步進(jìn)丟步，發(fā)熱，噪音等問題。圖2-3為驅(qū)動(dòng)與電機(jī)及單片機(jī)連接的電路圖。圖2-3 驅(qū)動(dòng)與電機(jī)及單片機(jī)連接的電路圖2.4 角度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用型號(hào)為HN3806A5V1024的絕對(duì)值編碼器作為測(cè)量角度的傳感器。編碼器將測(cè)量的擺桿轉(zhuǎn)角反饋給單片機(jī)，單片機(jī)作出相應(yīng)的響應(yīng)。HN3806A5V1024絕對(duì)式編碼器輸出與位置相對(duì)應(yīng)的代碼，單片機(jī)根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)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(duì)零位代碼可以用于停電位置記憶。片機(jī)通過讀取編碼器碼值的變化測(cè)量角度。圖2-4為編碼器與單片機(jī)的連接電路圖。圖2-4 編碼器與單片機(jī)的連接電路圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序主要起導(dǎo)向和決策的作用，它控制整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定協(xié)調(diào)的運(yùn)作。在本系統(tǒng)中，對(duì)各個(gè)模塊的調(diào)試采用分步進(jìn)行，確定各個(gè)模塊的獨(dú)立工作完整性，然后再對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所有模塊進(jìn)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(jī)為控制器，采用C語言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，系統(tǒng)各種功能主要通過調(diào)用具體的子程序來實(shí)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(jī)通過驅(qū)動(dòng)模塊控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制擺桿的轉(zhuǎn)角。模式二由編碼器將檢測(cè)到的擺桿轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，經(jīng)位置式PID算法處理數(shù)據(jù)后，單片機(jī)輸出PFM波控制驅(qū)動(dòng)改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)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(cè)試4.1 主要測(cè)試用的儀器在室溫條件下，測(cè)試所用儀器如表4-1所示。表4-1 測(cè)試儀器編號(hào)型號(hào)數(shù)量1示波器1臺(tái)2萬用表1臺(tái)3量角器1個(gè)4秒表1臺(tái)4.2指標(biāo)測(cè)試結(jié)果測(cè)試擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，是否能夠超過60擺動(dòng)，是否能夠在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，以及擺桿保持倒立的時(shí)間，共測(cè)試6組數(shù)據(jù)，如表4-2所示。表4-2 擺桿角度測(cè)試結(jié)果次數(shù)能否超過60度擺動(dòng)能否做圓周運(yùn)動(dòng)保持倒立的時(shí)間(s)1能能52能能63能能74能能65能能56能能64.3測(cè)試結(jié)果及誤差分析經(jīng)過測(cè)試，本系統(tǒng)基本完成了基礎(chǔ)部分的要求，完成情況如表4-3所示。表4-3 測(cè)試結(jié)果題目要求完成情況基本部分（1）擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，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60。完成（2）從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動(dòng)幅度，直至完成圓周運(yùn)動(dòng)。完成 續(xù)表 4-3（3）在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近165位置，外力撤除同時(shí)，啟動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(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。經(jīng)過測(cè)試，本系統(tǒng)完成了預(yù)期的目標(biāo)。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(dǎo)致采集、處理以及最后顯示的值有一定誤差,微處理器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)處理時(shí)產(chǎn)生的誤差，轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)臂、擺桿之間有一定的摩擦，這些因素都會(huì)造成誤差?？?結(jié)經(jīng)過一周的努力，本組完成了由MSP430F149單片機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)式倒立擺裝置。通過測(cè)試，擺桿能從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，使擺角達(dá)到超過60，完成圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外力拉起擺桿至接近165位置，撤除外力同時(shí)，啟動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)臂能使擺桿保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于5s，期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度未超過90在本次設(shè)計(jì)中我們了解編碼器對(duì)角度的測(cè)量方法，掌握了PID控制算法。經(jīng)過努力，我們完整的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)1 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品匯編M.北京理工大學(xué)出版社,2004.82 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（5版）M.高等教育出版社,20063 童詩(shī)白等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第3版M.20014 http:/ www.othinking.net5 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）M.（5版）高等教育出版社,20056 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品匯編M.北京理工大學(xué)出版社,20047 陳永真等.2011版全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽硬件電路設(shè)計(jì)精解M.電子工業(yè)出版社,20118 黃爭(zhēng)著.德州儀器高性能單片機(jī)和模擬器件在高校中的應(yīng)用和選型指南.上海:德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)（上海）有限公司大學(xué)計(jì)劃部,20109 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編M.北京理工大學(xué)出版社10 張新喜等.Multisim 10電路仿真及應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社11 陳曉鴿等.Altium Designer電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)教程M.科學(xué)出版社12 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)M. (5版).高等教育出版社,2005