毕业设计倒立摆电子设计论文.doc

摘要

本次竞赛C题的任务为设计并制作一个旋转式倒立摆，能够使摆杆做圆周运动，并且实现倒立功能。对此我们的作品采用自制支架，旋臂和摆杆。电机采用伺服电机，以STC12C5A60S2为控制芯片，利用精密塑料电位计测量摆杆转角，经过数学建模和多次数据采集建立模糊数学模型，利用PID实现对摆杆的实时控制。
关键词：STC12C5A60S2 塑料电位计 PID控制器

一、 设计任务
1、任务
设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如下图1所示。电动机A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端，当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自由旋转。

2、基本要求
（1）摆杆从出于自然下垂状态（摆角）开始，驱动电机带动旋转臂做往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过；
（2）从摆杆出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；
（3）在摆杆出于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近位置，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。
3、 发挥部分
（1）从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立时间不少于10s；
（2）在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或 2s 内恢复
倒立状态；
（3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向
转过角度达到或超过 360°；
（4） 其他。
二、系统方案
1、系统结构
旋转式倒立摆的机械结构主要包括旋臂、摆杆、直流减速电机以及角位移传感器部分。其中直流减速电机为执行机构，由电机驱动芯片L298驱动。旋臂和摆杆之间由角位移传感器连接，摆杆可绕旋臂在垂直平面内转动。旋臂和摆杆的角位移信号由角位移传感器测量的到，作为系统的输入量送入到控制其中，根据一定算法计算得到控制律并转化为电压信号提供给驱动芯片，来驱动直流减速电机转动，从而带动旋臂在水平面内旋转，最终实现控制摆杆直立的效果。

2、方案比较与选择
2.1机械结构模块

旋臂质量 m1
0.200Kg
摆杆质量 m2
0.052Kg
旋臂长度 R1（R）
0.20m
摆杆长度 R2
0.20m
旋臂质心到转轴距离L1
0.01m
摆杆质心到转轴距离L2
0.12m
电机力矩-电压比Km
0.0236Nm/V
电机反电势-转速比Ke
0.2865VS
旋臂饶轴转动摩擦力
系数F1
0.01NmS
摆杆绕轴转动摩擦力矩系数F2
0.001NmS
旋臂绕轴转动惯量J1
0.004Kg
摆杆绕轴转动惯量J2
0.001Kg
旋臂部分：材料不易变形，质量轻，转动灵便，因此采用铝合金板。
摆杆部分：需要材料密度大，转动灵便，刚性好，最终使用碳纤维杆，并在端头加一配重。
支架部分：稳定性好。
2.2微控制器模块的论证与分析
方案一：STC12C5A60S2单片机
是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250k/s,即25万次/秒），抗干扰性强，所以此类芯片控制电机时，对传感器信号的处理仍然很好，另外该类单片机价格也仅是略高于STC89C51系列单片机，具备更高的性价比。
方案二：采用AVR系列单片机
AVR系列单片机是一款具有增强型内置Flash的高速8位单片机。其采用精简指令集，功耗低，性价比高。ATMEGA16有16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM，1K字节的SRAM。但对于该题目其功能会有大量冗余。
方案三：采用可编程CPLD
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。其采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高，且从使用及经济的角度考虑，此方案不是最佳选择。
综上所述，选择方案一。
2.3电机的论证与分析
方案一：直流减速电机
具有调速范围宽，线性特性好，起动转矩大，响应速度快，质量轻，体积小等优点，但存在减速箱，齿轮减速存在空程，不利于实现精确控制。
方案二：步进电机
具有能够直接实现数字控制，抗干扰性强，控制性能好，控制原理简单，误差不长期累积等优点，但需要专门的电源和驱动器，采用普通驱动器时效率低，并且运动增量或步距角固定，承受惯性负载能力低，在低速运行时有可能发生震荡现象，体积较大。
方案三：直流伺服电机
伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
综上所述，选择方案三。
2.4电机驱动模块的论证与分析
方案一：采用大功率三极管，二极管，电容，电阻等元件
采用上述元件搭建两个H桥，通过对各路信号放大来驱动电机，原理简单，易于明了。但由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时，运行不稳定，而且电路的制作也比较复杂。
方案二：采用L298N驱动芯片
L298N芯片是常用的电机驱动芯片。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能；其输出电压最高可达50V，可用单片机的I/O口提供信号，而且一块L298芯片可驱动一个步进电机，驱动电路简单易用、稳定可靠，具有较高的性价比。
综上所述，选择方案二。
2.5角度传感器模块的论证与分析
方案一：导电塑料电位器
导电塑料电位器是把一个机械位移转换成电气信号，并且该信号能够与机械运动成正比。电刷装配连接到机械激励器，继而使塑料阻轨产生一个电压分配器。电位计的阻轨两端(1,3 )连接到稳定的直流电压(允许小电流)。当在电刷和修正阻轨之间测量时，信号电压是电压分配器的主要部分，并且与阻轨上的电刷位置成正比。对于某一固定角度阻止一定，线性度好，软件程序简单，方便控制，但硬件电路复杂，性价比高。
方案二：光电编码器
光电编码器检测的精度高，硬件电路简单，但软件程序复杂，不易检测摆杆摆动方向，且价格比较昂贵，性价比低。
综上所述，选择方案一。
2.6显示模块的论证与分析
方案一：使用MAX7219芯片的数码管显示
数码管基本可以满足系统的显示需求，且能够自发光，使显示更加清晰，但消耗电流较大，占用单片机端口多。加上MAX7219后解决了数码管占用单片机端口较多的问题，能够用单片机的3个I/O口控制8个数码管。
方案二：采用1602LCD显示器显示。
其功耗小，极其省电，但是使用有温度范围限制，且因是反光式的，在外界光线很明亮的情况下很容易看不清楚。
综上所述，选择方案一。
2.7稳压模块的论证与分析
方案一：LM2940-5.0低压差三端稳压芯片
输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压5V；输出电流1A；输出电流1A时，最小输入输出电压差小于0.8V；最大输入电压26V；工作温度-40～+125℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。
方案二：直流稳压电源
直流稳压电源电压调节方便，可调范围宽，但其体积大，携带不容易，且须220V室电。
综上所述，选择方案一。
3.总方案设计框图

三、理论分析与计算
1、电动机选型
直流伺服电动机
额定电压
6V
额定电流
0.4A
力矩
约0.05 N/m
额定转速
1000r/min
使用减速装置减速比
1/10

2、摆杆状态检测
2.1理论分析
导电塑料电位器的功能是把一个机械位移转换成电气信号，并且该信号能够与机械运动成正比。电刷装配连接到机械激励器，继而使塑料阻轨产生一个电压分配器。电位计的阻轨两端(1,3 )连接到稳定的直流电压(允许小电流)。当在电刷和修正阻轨之间测量时，信号电压是电压分配器的主要部分，并且与阻轨上的电刷位置成正比。导电塑料电位器作为一个电压分配器，可以不必着重于阻轨上的总电阻的准确度，因为温度波动只对电阻产生作用，不会影响到测量结果。
2.2计算
2.2.1线性度
一个特殊的一致性类型，理论功能特征是一条直线。
√
Vo = ƒ(Ө)+/-C=A(Ө)+B+/-C
Ө=0时，A 是斜面，B 是截距。
2.2.2独立线性
最大的实际功能特征误差，计算出一条最适合的基准直线的斜面和位置，把误差降到最小。它用在特定的理论电气行程中测量出来的总电压的百分比来表示。

3、驱动与控制算法
3.1水平式旋转倒立摆系统建模
水平式旋转倒立摆系统由一份水平悬臂和一级摆杆组成，悬臂由电机驱动在水平面内做圆周运动，通过耦合作用带动摆杆转动。
假设水平式旋转倒立摆系统中，悬臂的长度和质量分别是L1、m1，相对其水平方向零位的角位移为1，角速度为，摆杆的长度和质量分别为L2、m2，相对其竖直方向零位的角位移为2 角速度为，电位器质量为m3.建立如下图所示坐标系。
1.系统总动能
（1） 摆杆动能
旋臂和摆杆的连接点为B，对于距B点l2处，长为dl的一小段，其坐标为：

(2-3)

3. 拉格朗日方程
由以上分析知，拉格朗日算子
(2-8)

(2-9)

(2-11)
(2-12) (2-13)

(2-14)
（2-15）

3.2 PID控制器C语言算法
int kp,ki,kd,e2,e1,sume,u; //PID控制参数 kp:比例系数 ki:积分系数 kd:微分系数
//e0:当前偏差 e1:前一次偏差 e2:前二次偏差 sume:偏差累积和
int PID1() //增量式PID控制算法: 只需要当前时刻以前3个时刻的误差，
//计算误差与精度不足时对控制量的计算影响较小
{ int e0; int u;
e0=seti-Stemp; //当前偏差=设定液位值 - 当前实时液位值
e2=e1;e1=e0;
u=kp*(e0-e1) + ki*e0 + kd*(e0-2*e1+e2);
if(u<30) u=30; //对应电压或电机的死区范围，需测试
if(u>PWM_MAX) u=PWM_MAX-10;//对应最大PWM限制或电压死区，需测试
return u;//设置PWM脉冲数据
}
3.3主程序流程图
程序流程图见下图示

程序流程图示
四、测试方案与测试结果
1、测试过程
根据电路图连接好硬件电路，下载程序到STC12C5A60S2单片机中，观察摆杆摆动角度，通过对程序的调试，实时调试摆杆摆动角度，以达到技术要求，使摆杆摆动角度加大直至可以做圆周运动，且可以实现倒立。
2、测试仪器
数字示波器，稳压电源，精密电压表。
3、测试结果
可以使达到基本要求（1）、（2），完成60°转角和圆周运动，采用机理法建模和模糊数学控制，加入PID控制器可以完成基本要求（3），发挥部分（1）、（2）、（3），并且加入数码管显示，可以显示出摆杆的角度位置。
4、数据处理
表4-1摆杆角度与电位器阻值关系
摆杆距中心角度差/度
-30
-15
0
15
30
ADchange值
500
465
410
365
325
由表4-1拟合出近似的曲线

5、误差分析
倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。在控制过程中，作为一个被控对象, 它又相当复杂, 就其本身而言, 是一个不稳定、多变量、非线性和强耦合系统, 为了准确控制倒立摆，采用机理法建立数学模型，近似化后加入PID控制器，这种处理方法本身会引入误差；另外建立数学模型所需的一些数据又难以准确测量，会使误差增加；调试过程中，PID控制器的建立依靠大量实验数据，数据本身及数据处理的误差都是该系统的误差来源。
五、 结论、心得体会
倒立摆系统能够完成基本部分和部分发挥部分的要求，运行平稳，但是调试过程中发现系统的抗外界干扰性较差，电机的控制不能完全达到理想状态，我们对所有问题的考虑不完全，最后对于倒立摆的控制程序有待优化。
通过这次竞赛，我们学到了倒立摆的整体制作，意识到系统各个模块的良好运行至关重要，不允许出现模块的“或许“好使的现象，特别是硬件部分要达到一定的精确度。同时在完成题目设计要求的过程中，我们也意识到了自己和别人的差距，今后我们会再接再厉，努力达到更高的水平。

附录：
1、电路设计原理图
1.1最小系统原理图

（串口部分）

1.2电机驱动L298N原理图

1.3角度传感器原理图

1.4数码管显示原理图

2、元件表
12C5A60S2芯片
1块
9针串口
1个
MAX7219
1个
MAX232
1个
蜂鸣器
1个
稳压器7805
3个
驱动芯片L298N
2个
电位器 10K
3个
电解电容 1uF
5个
电解电容 3.3uF
3个
电解电容 10uF
3个
电解电容 100uF
2个
瓷片电容 33pF
2个
瓷片电容 331
2个
瓷片电容 104
12个
排阻 1K
1个
电阻 1K
7个
电阻 10K
5个
电阻 20K
3个
按钮开关
1个
二极管 1N4007
8个
晶振 11.0592
1个
覆铜板
若干
导线，排针，母插座
若干
伺服电机
1个
7.2V 蓄电池
1块
3、源程序

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