简易旋转倒立摆及控制装置
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的产品，相当于 0.5mA/MHz。
1.5 摆杆选择 方案一：采用直径 8mm 的圆形空心铁管。铁管的质量比较大，在倒立状态微调时比较容 易控制。但是铁管以及其配种增加了电机的负载，使得电机的转速不能很快的增大，导致有 些方案不能满足题目所给出的要求。 方案二：采用直径 8mm 的圆形空心不锈钢管。不锈钢管的质量比较轻，对电机的负载比 较轻，电机转速能够很快的增大。由于其比较轻，运动状态容易改变，所以有些不好控制。 本组在空管中加了一些重物，一方面增加其重量，另一方面可以改变其重心位置，方便控制。 通过比较两种方案，这里选择方案二。 1.6 电机调速方案 由于本组采用的步进电机，所以就采用 PWM 调速工作方式。PWM(脉宽调制)是一种对 模拟信号电平进行数字编码的方法，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一 种非常有效的技术。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟 信号的电平进行编码。PWM 调速具有精度高，易于控制等优点。通过对单片机定时中断进行 合理的编程，还可以实现动态调速的功能，这一点对多状态运行的步进电机是很重要的。 1.7 角度传感器测角方案 方案一：采用增量式编码器测角。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波 脉冲 A、B 和 Z 相；A、B 两组脉冲相位差 90º，从而可方便地判断出旋转方向，而 Z 相为每 转一个脉冲，用于基准点定位。增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点 任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码 器光栅的线数决定。需要提高分辩率时，可利用 90 度相位差的 A、B 两路信号进行倍频或 更换高分辩率编码器。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰 能力强，可靠性高，适合于长距离传输。 方案二：采用角位移传感器。角位移传感器内部利用滑动变阻器，将角位移量变化转化 为电阻的变化。接入电源后，电阻变化就能转变为电压变化，使用单片机对电压采样，即能 计算出角度的变化。 但是由于电机线圈电流产生的磁场对角位移传感器的输出电压干扰较大， 对角度的计算影响较大，所以不适宜。 综上所述，这边选择方案一。
目录
1 系统方案设计与论证••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.1 电机平台的设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.2 电机选择方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.3 电机驱动方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.4 控制模块选择••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.5 摆杆选择••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 1.6 电机调速方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 1.7 角度传感器测角方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 2 理论分析与计算••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 2.1 摆杆状态检测••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 2.2 驱动与控制算法••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4 3 电路与程序设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6 3.1 主程序流程图••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6 3.2 主菜单流程图••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7 3.3 系统反馈流程图••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8 3.4 硬件电路原理图••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9 4 测试结果及分析••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 4.1 基本要求第一功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 4.2 基本要求第二功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 4.3 基本要求第三功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 4.4 发挥部分第一功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 4.5 发挥部分第二功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11 4.6 发挥部分第三功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11 5 总结••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12 6 参考资料••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12 7 附录••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
Abstract ： The team designed the simple rotary inverted pendulum control system, based on MSP430 MCU and STM32 family core. Building the mechanical structure of the system parts, including rotating arm pendulum and stepper motors and incremental rotary encoders, remoting control STM32103RBT6 with MSP430F149 complete all operations. Control system design including system hardware circuit and software design. Hardware including the serial communication circuit, a power supply circuit, the motor drive circuit.According to the angle signal of Incremental rotary encoder calculate control law and generate PWM output. Stepping motor is used as the executing agency, the use of stepper motor driver chip implementation of the PWM signal is applied to the motor. Software based in part on the basic PID algorithm, using C language of the relevant procedures. Meanwhile, the system is also designed interactive interface, making the system more intelligent and humane. Keywords: rotary encoder stepper motor PID algorithm HCI.
的驱动下，实现 40ns 的指令周期主频有 8M 左右，外设丰富，开发也简单。但其注重功耗而损
ห้องสมุดไป่ตู้
失了很多性能。 方案二：采用 STM32。STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计
的 ARM Cortex-M3 内核。基本型时钟频率为 36MHz，以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性 能，是 16 位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存，不同的是 SRAM 的最大容量和 外设接口的组合。时钟频率 72MHz 时，从闪存执行代码，STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低
1、系统方案设计与论证
1.1 电机平台的设计 方案一：用一个圆形大铁块底座固定住电机。由于铁块很重，而且将电机固定的很紧， 所以电机启动后几乎不会抖动。旋转臂采用半径为 20cm 的铝板。在旋转臂的一端，用角度传 感器作为转轴连接旋转臂与摆杆。旋转臂的另一端适当的配些重物使得旋转臂保持平衡。摆 杆则采用 14cm 的空心不锈钢管。 方案二：如所给题目中的描述一样，采用“Π”形的支架。将电机用螺钉固定在支架下 方，支架两边则用重物压住来保持底座稳定。其余则与方案一中类似。 由于大铁块底座很重，不便于搬运，所以这边选择方案二。 1.2 电机选择方案 方案一：采用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元 步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲 数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定 的方向转动一个固定的角度，它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。 方案二：采用直流电机。直流电机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将 机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换 的电机。 直流电机无法进行精确的角度控制，所以本方案选用步进电机。 1.3 电机驱动方案 方案一：采用 HN-RH03MDC 驱动板。该驱动板频率细分数能达到 256，电流最大可达 3.2 安培，即可采用大电流驱动。板上还有两个 free 信号，可以有效避免电机停止时的晃动。 方案二：采用 DL-022M 驱动板。该驱动板频率细分数只有 8，而且电流较小。 本方案由于旋转臂较长，且有一定的负载，方案二的驱动电流较小，无法达到设计所需 的速度，且在停止时有严重抖动，不方便控制。所以本方案采用方案一。 1.4 控制模块选择 方案一：采用 MSP430 单片机。MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）推向市场的 一种 16 位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。MSP430 系列单片机能在 25MHz 晶体
2013 全国大学生电子设计竞赛论文
（江苏赛区） 题目: 简易旋转倒立摆及控制装置
参赛编号： 参赛学校： 参赛学生： 指导教师：
NJ168 南京理工大学 计一飞 章勤杰 吴礼 严鑫
二○一三 年 九 月
简易旋转倒立摆及控制装置
摘要：本小组设计了基于 MSP430 和 STM32 系列单片机为核心的简易旋转倒立摆控制系统， 构建了系统的机械结构部分，包括旋转臂、摆杆和步进电机以及增量式旋转编码器，用 MSP430F149 远程控制 STM32103RBT6 完成所有操作。控制系统设计包括系统硬件电路及软 件设计。硬件部分有串口通信电路，电源电路，电机驱动电路和显示电路等。根据增量式旋 转编码器的角度信号计算控制律，并产生 PWM 输出。以步进电机作为执行机构，利用步进 电机驱动芯片将 PWM 信号施加于执行电机。软件部分根据最基本的 PID 算法，用 C 语言编 写了相关程序。同时本系统还设计了人机交互界面，使得系统更加智能化和人性化。 关键字：旋转编码器 步进电机 PID算法 人机交互
的产品，相当于 0.5mA/MHz。
1.5 摆杆选择 方案一：采用直径 8mm 的圆形空心铁管。铁管的质量比较大，在倒立状态微调时比较容 易控制。但是铁管以及其配种增加了电机的负载，使得电机的转速不能很快的增大，导致有 些方案不能满足题目所给出的要求。 方案二：采用直径 8mm 的圆形空心不锈钢管。不锈钢管的质量比较轻，对电机的负载比 较轻，电机转速能够很快的增大。由于其比较轻，运动状态容易改变，所以有些不好控制。 本组在空管中加了一些重物，一方面增加其重量，另一方面可以改变其重心位置，方便控制。 通过比较两种方案，这里选择方案二。 1.6 电机调速方案 由于本组采用的步进电机，所以就采用 PWM 调速工作方式。PWM(脉宽调制)是一种对 模拟信号电平进行数字编码的方法，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一 种非常有效的技术。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟 信号的电平进行编码。PWM 调速具有精度高，易于控制等优点。通过对单片机定时中断进行 合理的编程，还可以实现动态调速的功能，这一点对多状态运行的步进电机是很重要的。 1.7 角度传感器测角方案 方案一：采用增量式编码器测角。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波 脉冲 A、B 和 Z 相；A、B 两组脉冲相位差 90º，从而可方便地判断出旋转方向，而 Z 相为每 转一个脉冲，用于基准点定位。增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点 任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码 器光栅的线数决定。需要提高分辩率时，可利用 90 度相位差的 A、B 两路信号进行倍频或 更换高分辩率编码器。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰 能力强，可靠性高，适合于长距离传输。 方案二：采用角位移传感器。角位移传感器内部利用滑动变阻器，将角位移量变化转化 为电阻的变化。接入电源后，电阻变化就能转变为电压变化，使用单片机对电压采样，即能 计算出角度的变化。 但是由于电机线圈电流产生的磁场对角位移传感器的输出电压干扰较大， 对角度的计算影响较大，所以不适宜。 综上所述，这边选择方案一。
目录
1 系统方案设计与论证••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.1 电机平台的设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.2 电机选择方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.3 电机驱动方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.4 控制模块选择••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.5 摆杆选择••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 1.6 电机调速方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 1.7 角度传感器测角方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 2 理论分析与计算••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 2.1 摆杆状态检测••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 2.2 驱动与控制算法••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4 3 电路与程序设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6 3.1 主程序流程图••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6 3.2 主菜单流程图••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7 3.3 系统反馈流程图••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8 3.4 硬件电路原理图••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9 4 测试结果及分析••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 4.1 基本要求第一功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 4.2 基本要求第二功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 4.3 基本要求第三功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 4.4 发挥部分第一功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 4.5 发挥部分第二功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11 4.6 发挥部分第三功能测试结果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11 5 总结••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12 6 参考资料••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12 7 附录••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
Abstract ： The team designed the simple rotary inverted pendulum control system, based on MSP430 MCU and STM32 family core. Building the mechanical structure of the system parts, including rotating arm pendulum and stepper motors and incremental rotary encoders, remoting control STM32103RBT6 with MSP430F149 complete all operations. Control system design including system hardware circuit and software design. Hardware including the serial communication circuit, a power supply circuit, the motor drive circuit.According to the angle signal of Incremental rotary encoder calculate control law and generate PWM output. Stepping motor is used as the executing agency, the use of stepper motor driver chip implementation of the PWM signal is applied to the motor. Software based in part on the basic PID algorithm, using C language of the relevant procedures. Meanwhile, the system is also designed interactive interface, making the system more intelligent and humane. Keywords: rotary encoder stepper motor PID algorithm HCI.
的驱动下，实现 40ns 的指令周期主频有 8M 左右，外设丰富，开发也简单。但其注重功耗而损
ห้องสมุดไป่ตู้
失了很多性能。 方案二：采用 STM32。STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计
的 ARM Cortex-M3 内核。基本型时钟频率为 36MHz，以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性 能，是 16 位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存，不同的是 SRAM 的最大容量和 外设接口的组合。时钟频率 72MHz 时，从闪存执行代码，STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低
1、系统方案设计与论证
1.1 电机平台的设计 方案一：用一个圆形大铁块底座固定住电机。由于铁块很重，而且将电机固定的很紧， 所以电机启动后几乎不会抖动。旋转臂采用半径为 20cm 的铝板。在旋转臂的一端，用角度传 感器作为转轴连接旋转臂与摆杆。旋转臂的另一端适当的配些重物使得旋转臂保持平衡。摆 杆则采用 14cm 的空心不锈钢管。 方案二：如所给题目中的描述一样，采用“Π”形的支架。将电机用螺钉固定在支架下 方，支架两边则用重物压住来保持底座稳定。其余则与方案一中类似。 由于大铁块底座很重，不便于搬运，所以这边选择方案二。 1.2 电机选择方案 方案一：采用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元 步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲 数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定 的方向转动一个固定的角度，它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。 方案二：采用直流电机。直流电机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将 机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换 的电机。 直流电机无法进行精确的角度控制，所以本方案选用步进电机。 1.3 电机驱动方案 方案一：采用 HN-RH03MDC 驱动板。该驱动板频率细分数能达到 256，电流最大可达 3.2 安培，即可采用大电流驱动。板上还有两个 free 信号，可以有效避免电机停止时的晃动。 方案二：采用 DL-022M 驱动板。该驱动板频率细分数只有 8，而且电流较小。 本方案由于旋转臂较长，且有一定的负载，方案二的驱动电流较小，无法达到设计所需 的速度，且在停止时有严重抖动，不方便控制。所以本方案采用方案一。 1.4 控制模块选择 方案一：采用 MSP430 单片机。MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）推向市场的 一种 16 位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。MSP430 系列单片机能在 25MHz 晶体
2013 全国大学生电子设计竞赛论文
（江苏赛区） 题目: 简易旋转倒立摆及控制装置
参赛编号： 参赛学校： 参赛学生： 指导教师：
NJ168 南京理工大学 计一飞 章勤杰 吴礼 严鑫
二○一三 年 九 月
简易旋转倒立摆及控制装置
摘要：本小组设计了基于 MSP430 和 STM32 系列单片机为核心的简易旋转倒立摆控制系统， 构建了系统的机械结构部分，包括旋转臂、摆杆和步进电机以及增量式旋转编码器，用 MSP430F149 远程控制 STM32103RBT6 完成所有操作。控制系统设计包括系统硬件电路及软 件设计。硬件部分有串口通信电路，电源电路，电机驱动电路和显示电路等。根据增量式旋 转编码器的角度信号计算控制律，并产生 PWM 输出。以步进电机作为执行机构，利用步进 电机驱动芯片将 PWM 信号施加于执行电机。软件部分根据最基本的 PID 算法，用 C 语言编 写了相关程序。同时本系统还设计了人机交互界面，使得系统更加智能化和人性化。 关键字：旋转编码器 步进电机 PID算法 人机交互