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簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及 其控制裝置 簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置 摘 要 本系統(tǒng)設(shè)計實現(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的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)擺桿倒立，而擺桿的轉(zhuǎn)角則作為調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)動控制電機的轉(zhuǎn)速，改變擺桿的轉(zhuǎn)角。編碼器檢測擺桿的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。軟件部分應(yīng)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(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)倒立擺；編碼器；PID 1 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(qū)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(qū)動供電。由按鍵選擇倒立擺的工作模式，單片機通過驅(qū)動控制電機轉(zhuǎn)動，電機上裝有20cm的旋轉(zhuǎn)臂，電機高速旋轉(zhuǎn)帶動旋轉(zhuǎn)臂。旋轉(zhuǎn)臂與擺桿之間裝編碼器，編碼器檢測擺桿的轉(zhuǎn)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(qū)動改變伺服電機的轉(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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(fù)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(qū)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(diào)速能力?？煞奖阍趯挿秶鷥?nèi)實現(xiàn)平滑無極調(diào)速。啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速快、易控制，但需要維護，會產(chǎn)生電磁波干擾，成本高. 方案二：步進電機。 步進電機的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(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(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)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(zhuǎn)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(qū)動的選擇與論證 方案一：采用THB6064H驅(qū)動模塊。 THB6064H是一款專業(yè)的PWM斬波兩相步進電機驅(qū)動芯片。它內(nèi)部集成了細分、衰減模式設(shè)置、電路調(diào)節(jié)、CMOS功率放大等電路，配合簡單的外圍電路即可實現(xiàn)高性能、多細分、大電流的驅(qū)動電路。適合驅(qū)動57、86型步進電機。 方案二：：采用以L298N為主芯片的驅(qū)動電路。 L298N是ST公司生產(chǎn)的一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器。L298N是可以承受高壓大電流的雙全橋式驅(qū)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(qū)動模塊。 方案三：采用ACS606驅(qū)動。 ACS606是一款簡化接口的交流伺服驅(qū)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(shè)計，額定轉(zhuǎn)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(qū)動。因為我們選擇了BLM57180伺服電機，而ACS606驅(qū)動是一款為伺服電機所設(shè)計的驅(qū)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(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，模擬線性可變差動傳感器的線性位移。WDS35D測量范圍為0～360，輸出電壓范圍輸入電壓有關(guān)，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(shè)計對角度傳感器的要求，故我們選擇方案二。 2 硬件設(shè)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(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，最終實現(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，對控制對象進行控制。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學模型，控制理論和其他技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID技術(shù)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(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(shè)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(qū)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(qū)動模塊設(shè)計 本系統(tǒng)采用ACS606驅(qū)動模塊驅(qū)動BLM57180伺服電機作為系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。單片機接收編碼器所測得的擺桿轉(zhuǎn)角，采用PID控制算法對此數(shù)據(jù)處理，輸出PFM波控制ACS606驅(qū)動模塊驅(qū)動電機。ACS606是雷賽一款簡化接口的交流伺服驅(qū)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(shè)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(qū)動與電機及單片機連接的電路圖。 圖2-3 驅(qū)動與電機及單片機連接的電路圖 2.4 角度檢測模塊設(shè)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(zhuǎn)角反饋給單片機，單片機作出相應(yīng)的響應(yīng)。HN3806A5V1024絕對式編碼器輸出與位置相對應(yīng)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(shè)計 程序主要起導(dǎo)向和決策的作用，它控制整個系統(tǒng)穩(wěn)定協(xié)調(diào)的運作。在本系統(tǒng)中，對各個模塊的調(diào)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(diào)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(qū)動模塊控制伺服電機轉(zhuǎn)速進而控制擺桿的轉(zhuǎn)角。模式二由編碼器將檢測到的擺桿轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)反饋給單片機，經(jīng)位置式PID算法處理數(shù)據(jù)后，單片機輸出PFM波控制驅(qū)動改變伺服電機的轉(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(jié)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(nèi)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(jié)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 5 2 能 能 6 3 能 能 7 4 能 能 6 5 能 能 5 6 能 能 6 4.3測試結(jié)果及誤差分析 經(jīng)過測試，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狀態(tài)開始，驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度不大于90。 經(jīng)過測試，本系統(tǒng)完成了預(yù)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(dǎo)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(diào)節(jié)處理時產(chǎn)生的誤差，轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)臂、擺桿之間有一定的摩擦，這些因素都會造成誤差。 總 結(jié) 經(jīng)過一周的努力，本組完成了由MSP430F149單片機控制的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臂能使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于5s，期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度未超過90在本次設(shè)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(jīng)過努力，我們完整的實現(xiàn)了設(shè)計的目標。 參考文獻 [1] 全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編[M].北京理工大學出版社,2004.8 [2] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（5版）[M].高等教育出版社,2006 [3] 童詩白等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第3版[M].2001 [4] http:// www.othinking.net [5] 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,2005 [6] 全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編[M].北京理工大學出版社,2004 [7] 陳永真等.2011版全國大學生電子設(shè)計競賽硬件電路設(shè)計精解[M].電子工業(yè)出版社,2011 [8] 黃爭著.德州儀器高性能單片機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）有限公司大學計劃部,2010 [9] 全國大學生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編[M].北京理工大學出版社 [10] 張新喜等.Multisim 10電路仿真及應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社 [11] 陳曉鴿等.Altium Designer電路設(shè)計標準教程[M].科學出版社 [12] 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