旋转倒立摆设计报告

控制专题训练阶段性报告旋转倒立摆设计

学生姓名：

2017年5月24日

摘要

本系统以由stm32f103单片机作为中心控制系统，由精密电位器、电机驱动模块、电源电路组成。角度监测模块采用采用双向编码器，实时测量摆杆与垂直方向的夹角；电机驱动部分使用TB6612驱动芯片驱动直流电机较精确地控制摆杆的灵敏度；具有操作简单，控制界面直观、简洁，系统性能指标达到了设计要求，工作可靠，功耗低，具有良好的人机交互性能。

关键字：STM32f103RC 精密电位器TB6612

目录

一、系统方案 (1)

1、摆架框架的论证与选择 (1)

2、驱动电机的选择 (1)

2、角度传感器的选择 1

二、系统理论分析与计算 (2)

1、电机型号选择 (2)

2、摆杆状态监测 (2)

3、算法控制 (2)

（1）比例控制规律....................................................................... 错误！未定义书签。

（2）比例积分控制规律............................................................... 错误！未定义书签。

（3）比例微分控制规律............................................................... 错误！未定义书签。

（4）比例积分微分控制规律....................................................... 错误！未定义书签。

三、电路与程序设计 (2)

1、电路的设计 (3)

（1）系统总体框图 (3)

（2）PID算法子系统框图 (4)

（3）主控制器模块设计 (4)

（4）电源 (5)

2、程序的设计 (5)

（1）程序功能描述与设计思路 (5)

（2）程序流程图 (6)

四、测试方案与测试结果 (7)

1、测试方案与论证 (7)

2、测试条件与仪器 (8)

3、测试结果及分析 (8)

（1）测试结果(数据) .................................................................... 错误！未定义书签。

（2）测试分析与结论................................................................... 错误！未定义书签。

五、参考文献 (8)

附录1：电路原理图 (9)

附录2：源程序 (10)

一、系统方案

本题目要求设计一个简易旋转倒立摆及其控制装置，它由三部分构成，系统构成如图1-1：①摆架系统：支架，摆杆，底座，平板，旋转臂，旋转臂连接摆杆顶部固定在电机上；②驱动控制系统：单片机，直流电机，电机驱动器，电源，用以控制电机带动旋转臂转动；③检测系统：通过精密电位器检测出摆杆与垂直方向的倾角，将数据传给单片机。

1、摆架框架的选择

方案一：采用木板做摆杆，材料方便，制作简单，质量较小，尽管在做旋转运动时，空气阻力对其有影响，木质材料的摆杆较轻，可以适当的加点配重，增加其惯性，更加方便电机对其旋摆随时的控制。

方案二：采用碳纤维杆做摆杆，相对于木质材料来说，碳纤维杆较细，表面光滑，质量与木质材料不差上下，如加以配重，重心偏移比木质材料大。

为更好保持稳定，减少系统本身可能导致的误差，综合以上两种方案，选择方案二。

2、驱动电机的选择

方案一：采用直流减速电机，直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。

方案二：采用步进电机，步进电机能够通过给定的脉冲周期，实现任意速度的转动，定矩运动较精确。但是灵活性低，且转速慢。在此高灵活控制情况下难以满足要求。

考虑到灵活性和精确度，综合以上两种方案，选择方案一。

3、角度传感器的选择

方案一：采用单轴倾角传感器，它的最大刷新率为20ms,能够检测出垂直倾角，即在能以最大50Hz的采样频率把角度值反馈给单片机。但是在摆杆做周旋转的情况下，导线严重的影响了摆杆的旋转，并且导线在旋转的情况下可能会引起一系列的后果。

方案二：采用编码器作为角度传感器，双向编码器可以测出旋转角度及其运动方向，只需一个编码器直接安装在旋转臂的一端，编码器的转轴连接摆杆，代替了转轴的制作，安装方便。

方案三：使用精密电位器做角度传感器，使用方便，加3.3V电压就可以直接读出读数，使用stm32内部ad读取，精度较高且可以很快读取。

考虑到题目要求摆杆的旋转，同时要有较高的灵活性，且不能影响摆杆的运动，

综合以上三种方案，选择方案三。

二、系统理论分析与计算

1、电机型号选择

由于本次设计要求电机灵敏性高，并且扭矩大，所以本次设计选择减速直流电机。在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱，提供较低的转速，较大的力矩。适合本次设计要求的扭矩大、动作快的要求。

2、摆杆状态监测

出于旋转要求的限制，通过导线将角度传感器固定在摆杆上的测试方法已经不能满足要求了，本次设计采用了精密电位器，它是利用电位器原理，旋转主轴可以改变接入电阻值的设备。根据电压的分压原理，使用AD读取接入部分的电压就可以检测接入部分的角度。用他可以实现角位移及其他物理量的精确测量,具有精度高、测量范围广、使用可靠等优点。

3、算法控制

本次设计的算法是基于PID算法上进行的。PID是一个有比例(P)、积分(I)、微分(D)控制闭环控制算法

（1）比例控制规律P：

采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制；油泵房中间油罐油位控制等。

（2）比例积分控制规律(PI)：

在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统；油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等。

（3）比例微分控制规律(PD)：

微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如：加热型温度控制、成分控制。需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。如：大窑玻璃液位的控制。

（4）例积分微分控制规律(PID)：

PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后