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简易旋转倒立摆及其控制装置 简易旋转倒立摆及其控制装置摘 要本系统设计实现了一种单输入，单输出的旋转式倒立摆闭环控制系统。它通过改变伺服电机的转速来实现摆杆倒立，而摆杆的转角则作为调节电机转速的参数。本系统以MSP430F149单片机为控制核心，硬件包括电源模块，单片机控制模块、按键选择模块、数据显示模块、电机驱动模块、角度检测模块。首先由按键选择倒立摆的工作模式，单片机通过驱动控制电机的转速，改变摆杆的转角。编码器检测摆杆的转角，将数据反馈给单片机，单片机对数据进行分析处理后输出PFM波调节电机转速。软件部分应用C语言实现系统的基本功能，采用位置式PID控制算法进行数据处理。关键词：旋转倒立摆；编码器；PID1 方案论证与比较1.1 系统总方案描述本系统主要包括电源模块，单片机控制模块，按键选择模块、电机驱动模块、角度检测模块和数据显示模块。系统以MSP430F149单片机为控制核心，采用36V直流电给驱动供电。由按键选择倒立摆的工作模式，单片机通过驱动控制电机转动，电机上装有20cm的旋转臂，电机高速旋转带动旋转臂。旋转臂与摆杆之间装编码器，编码器检测摆杆的转角，并将数据反馈给单片机，位置式PID控制算法对数据处理后，单片机输出PFM波控制驱动改变伺服电机的转速。图1-1为系统总体框图。图1-1 系统总体框图控制模块的论证与比较方案一：采用51单片机作为本系统的主控制芯片。51系列单片机功耗较高，8位微型处理器运算速度慢，无硬件乘法器，片内资源少。但价格低廉，使用简单。方案二：采用MSP430F149.单片机作为本系统的主控制芯片MSP430F149单片机德州仪器开发的一种超低功耗微控制器，它是一款16位单片机，内含12位快速ADC，只需外接一个电阻、一个电容即可实现高精度斜率A/D转换。并且具有运算速度快，精度高，执行能力强，中断源多等优点。综上两种方案，MSP430F149单片机比51单片机运算速度快，精度高，处理能力强，功耗低，大大降低了复杂度，整个系统的性价比也很高，我们选择方案二。1.3 电机驱动模块的论证与比较1.3.1 电机的选择与论证方案一：采用BLM57180伺服电机。BLM57180伺服电机具有良好的启动、制动和调速能力。可方便在宽范围内实现平滑无极调速。启动转矩大，转速快、易控制，但需要维护，会产生电磁波干扰，成本高.方案二：步进电机。步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。综上两种方案，倒立摆的控制需要电机有足够的扭矩，步进电机负载能力较小，虽然可以通过外加加速齿轮来实现，但比较费时费力。而BLM57180伺服电机虽然成本高，但性能高，转矩大，适合本系统对电机的要求故选择方案二。1.3.1 电机驱动的选择与论证方案一：采用THB6064H驱动模块。THB6064H是一款专业的PWM斩波两相步进电机驱动芯片。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。适合驱动57、86型步进电机。方案二：采用以L298N为主芯片的驱动电路。L298N是ST公司生产的一种二相和四相电机的专用驱动器。L298N是可以承受高压大电流的双全桥式驱动器，输出电流大，功率大，可以同时控制两个电机，价格适中，是比较实用的电机驱动模块。方案三：采用ACS606驱动。ACS606是一款简化接口的交流伺服驱动器，在控制接口方面提供脉冲、方向、使能三个信号，专为位置控制模式设计，额定转速达3000rpm，低速可达1rpm，全速度段高平稳低噪音，彻底解决步进丢步、发热、噪音等问题。综上三种方案，本系统采用ACS606驱动。因为我们选择了BLM57180伺服电机，而ACS606驱动是一款为伺服电机所设计的驱动，而L298N、THB6064H更适用于步进和直流电机。1.4 角度检测模块的论证与比较方案一：采用导电塑料角位移传感器WDS35D。WDS35D传感器采用特殊形状的转子和绕线线圈，模拟线性可变差动传感器的线性位移。WDS35D测量范围为0360，输出电压范围输入电压有关，输出精度为1mv，测量精度为0.1，线性度好，长期稳定性好，灵敏度高，可以实现对角位移的精确测量。方案二：采用型号为HN3860A5V1024的绝对值编码器。HN3860A5V1024绝对编码器由机械位置确定编码，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高。综上两种方案，WDS35D和HN3806A5V1024编码器都可以实现对角位移的精确测量，但HN3806A5V1024编码器却更容易控制，且抗干扰，数据可靠，适合本设计对角度传感器的要求，故我们选择方案二。2 硬件设计及理论分析2.1 PID控制算法理论分析系统要实现倒立功能，单片机对角度数据的处理是为重要的。本系统采用位置式PID控制算法对编码器所测角度数据进行处理，并以此作为参数调节电机的转速，最终实现摆杆倒立。PID调节是一种线性调节，它将给定值与实际输出值的偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型，控制理论和其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID技术最为方便，即使当我们不完全了解一个系统和被控对象，或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，也适合采用PID控制技术，PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分进行计算。在本系统中被控对象为摆杆，其数学模型以及理论计算并不容易，故我们采用位置式PID控制算法对编码器所测角度数据进行处理其中P为比例系数；I为角度误差的积分系数；D为微分系数。输出量=P*角度误差n+D/dt*（角度误差n-角度误差n-1）系统控制框图如2-1所示。 图2-1 系统控制框图2.2 单片机控制模块设计基于MSP430F149单片机的主控电路，MSP430F149是德州仪器开发的一种超低功耗微控制器，16位的CPU集成寄存器和常数发生器，实现了最大化的代码效率。MSP430F149单片机还具有处理能力强，功耗低，执行能力强，中断源多等优点。在整个系统中由MSP430F149单片机控制实现编码器数据的采集，角度数据的的处理，电机的驱动。图2-2为MSP430F149单片机最小系统电路图。图2-2 MSP430F149单片机最小系统电路图2.3 电机驱动模块设计本系统采用ACS606驱动模块驱动BLM57180伺服电机作为系统的执行机构。单片机接收编码器所测得的摆杆转角，采用PID控制算法对此数据处理，输出PFM波控制ACS606驱动模块驱动电机。ACS606是雷赛一款简化接口的交流伺服驱动器，其在控制接口方面提供了脉冲、方向、使能三个信号，专为位置控制模式设计，最高速度可达3500rpm，克服了步进丢步，发热，噪音等问题。图2-3为驱动与电机及单片机连接的电路图。图2-3 驱动与电机及单片机连接的电路图2.4 角度检测模块设计本系统采用型号为HN3806A5V1024的绝对值编码器作为测量角度的传感器。编码器将测量的摆杆转角反馈给单片机，单片机作出相应的响应。HN3806A5V1024绝对式编码器输出与位置相对应的代码，单片机根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。从代码数大小的变化可以判别正反方向和位移所处的位置，绝对零位代码可以用于停电位置记忆。片机通过读取编码器码值的变化测量角度。图2-4为编码器与单片机的连接电路图。图2-4 编码器与单片机的连接电路图3 系统软件设计程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统稳定协调的运作。在本系统中，对各个模块的调试采用分步进行，确定各个模块的独立工作完整性，然后再对整个系统所有模块进行完糅合，使其完成系统的所有功能。本系统以MSP430F149单片机为控制器，采用C语言对单片机进行编程，系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现。本系统首先由按键选择倒立摆的工作模式，之后单片机通过驱动模块控制伺服电机转速进而控制摆杆的转角。模式二由编码器将检测到的摆杆转角数据反馈给单片机，经位置式PID算法处理数据后，单片机输出PFM波控制驱动改变伺服电机的转速。系统主流程图如图3-1所示。图3-1 主流程图4 系统测试4.1 主要测试用的仪器在室温条件下，测试所用仪器如表4-1所示。表4-1 测试仪器编号型号数量1示波器1台2万用表1台3量角器1个4秒表1台4.2指标测试结果测试摆杆从处于自然下垂状态开始，是否能够超过60摆动，是否能够在竖直面内做圆周运动，以及摆杆保持倒立的时间，共测试6组数据，如表4-2所示。表4-2 摆杆角度测试结果次数能否超过60度摆动能否做圆周运动保持倒立的时间(s)1能能52能能63能能74能能65能能56能能64.3测试结果及误差分析经过测试，本系统基本完成了基础部分的要求，完成情况如表4-3所示。表4-3 测试结果题目要求完成情况基本部分（1）摆杆从处于自然下垂状态开始，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。完成（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。完成 续表 4-3（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165位置，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。经过测试，本系统完成了预期的目标。误差分析，由于MSP430F149自身的精度，外围电路中非线性元件，编码器精度导致采集、处理以及最后显示的值有一定误差,微处理器对采集到的信号进行PID调节处理时产生的误差，转轴、旋转臂、摆杆之间有一定的摩擦，这些因素都会造成误差。总 结经过一周的努力，本组完成了由MSP430F149单片机控制的旋转式倒立摆装置。通过测试，摆杆能从处于自然下垂状态开始，使摆角达到超过60，完成圆周运动。当外力拉起摆杆至接近165位置，撤除外力同时，启动控制旋转臂能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未超过90在本次设计中我们了解编码器对角度的测量方法，掌握了PID控制算法。经过努力，我们完整的实现了设计的目标。参考文献1 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编M.北京理工大学出版社,2004.82 阎石.数字电子技术基础（5版）M.高等教育出版社,20063 童诗白等.模拟电子技术基础.第3版M.20014 http:/ www.othinking.net5 康华光.电子技术基础（模拟部分）M.（5版）高等教育出版社,20056 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编M.北京理工大学出版社,20047 陈永真等.2011版全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解M.电子工业出版社,20118 黄争著.德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南.上海:德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划部,20109 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M.北京理工大学出版社10 张新喜等.Multisim 10电路仿真及应用M.机械工业出版社11 陈晓鸽等.Altium Designer电路设计标准教程M.科学出版社12 康华光.电子技术基础M. (5版).高等教育出版社,2005
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