畢業(yè)論文基于msp430f149單片機的兩輪自平衡小車的設(shè)計與研究-文庫吧
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【正文】 錯誤 !未定義書簽。 泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 1 1 引言 近年來，兩輪自平衡電動車以其行走 靈活、便利、節(jié)能等特點得到了很大的發(fā)展。國內(nèi)外有很多這方面的研究，也有相應(yīng)的產(chǎn)品。兩輪自平衡小車是仿照兩輪自平衡電動車來設(shè)計的，它越來越受大學(xué)生、研究生所推崇。對于各大學(xué)設(shè)定的課程中，偏重于理論知識的學(xué)習(xí)，比如：自動化專業(yè)課程里設(shè)定的《自動控制原理》、《電機拖動》、《現(xiàn)代控制理論》、《單片機原理與設(shè)計》、《計算機控制系統(tǒng)》、《電力拖動自動控制系統(tǒng)》，《微機原理》等，過多理論知識的講解，即使有相當(dāng)一部分側(cè)重于實用，但是仍然讓大部分實踐經(jīng)驗極度匱乏的大學(xué)生學(xué)習(xí)起來相當(dāng)?shù)睦щy，難以理解具體工程實踐的運用，從而使越 來越多的學(xué)生失去了對知識探索的興趣。而兩輪自平衡小車的制作和控制方案的設(shè)計，不僅能夠提高學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和接受挑戰(zhàn)的能力，還可以對課本上的理論知識進(jìn)行系統(tǒng)、深入的理解與運用。 對兩輪自平衡小車的設(shè)計與研究的最主要問題還是對本質(zhì)不穩(wěn)東兩輪小車自平衡控制問題的研究。同時也是對大學(xué)四年來自動化領(lǐng)域一部分理論知識的學(xué)習(xí)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)與運用，為將來在控制領(lǐng)域繼續(xù)很好的發(fā)展打下堅實的理論基礎(chǔ)與實踐基礎(chǔ)。 本文的主要研究內(nèi)容包括： （ 1） 兩輪自平衡小車硬件電路的設(shè)計。 （ 2） 小車運行時車速測量方法的選擇。 （ 3） 小車偏離平衡位 置夾角最小誤差測量方法的選擇 （ 4） 研究自平衡小車的控制策略。 2 自平衡小車自平衡設(shè)計原理 自平衡小車直立控制 首先，讓我們簡單的分析一下普通單擺偏離平衡位置后能夠自動恢復(fù)到平衡位置的原理，普通單擺受力分析如圖 21所示。 泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 2 圖 21 普通的單擺受力分析 當(dāng)物體離開垂直的平衡位置之后，便會受到重力與懸線的作用合力，驅(qū)動重物恢復(fù)到平衡位置。這個力稱之為回復(fù)力，其大小為： F = si nm g m g??? ? ? ? (21) 在此 回復(fù)力作用下，單擺便進(jìn)行周期運動。在空氣中運動的單擺，由于受到空氣的阻力，單擺最終會停止在垂直平衡位置。空氣的阻力與單擺運行時的速度成正比，方向相反。阻力越大，單擺越會盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。所以，單擺能夠穩(wěn)定在垂直位置的條件是受到與位移相反的回復(fù)力，并且受到與運行速度相反的阻力。 當(dāng)?shù)沽[穩(wěn)定在平衡位置時，若受到外部擾動時是無法保持穩(wěn)定的，分析倒立擺的受力，如圖 22所示。 圖 22 倒立擺模型車體受力分析 倒立擺之所以不能像單擺一樣可以穩(wěn)定在垂直位置，就是因為在它的偏離平泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 3 衡位置的時候，所受到的 回復(fù)力與位移方向相同，而不是相反。因此，倒立擺便會加速偏離垂直位置，直到倒下。 若想讓倒立擺像單擺一樣能夠穩(wěn)定在垂直位置，就得增加額外的受力，使得回復(fù)力與位移的方向相反。我們可以通過控制倒立擺底部車輪，使得它作加速運動。由于 ? 角很小的，所以可以把水平方向的力 f 看作 sinmg ?? ,這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為： F = si nm g m a m g m a??? ? ? ? ? (22) 式中，假設(shè)控制車輪加速度與偏角 ? 成正比，比例為 k ，則恢復(fù)力為： F mg mk??? ? ? ? (23) 顯然，若果 k g (g 是重力加速度 )那么回復(fù)力的方向便與位移方向相反。此外，為了使得倒立擺能夠盡快的穩(wěn)定在平衡位置，還需要增加與偏角的速度成正比且方向相反的阻力。因此，式（ 23）可變?yōu)椋? F mg mk ml? ? ?? ? ? ? ? ? (24) 由式（ 24）可知控制車輪加速的控制算法： a k l??? ? ? ? (25) 式中， ? 為倒立擺傾角， ? 為角速度， k 、 l 均為比例系數(shù)，兩項相加后作為倒立擺車輪加速度的控制量。只要保證在 k g 、 l 0 條件下，就能使倒立擺平衡。 自平衡小車車模可以簡化為倒立的單擺，所以，可以通過 對倒立擺的平衡控制原理可以近似的用于控制自平衡小車的平衡。所以式（ 25）依然可以用于對自平衡小車車輪的控制，此時， ? 為自平衡小車的傾角， ? 為角加速度， k 、 l 為比例系數(shù)。 k 決定了自平衡小車是否能夠穩(wěn)定到垂直位置，它必須大于重力加速度；l 決定了自平衡小車回到直立位置阻力系數(shù)，選取合適的阻力系數(shù)可以保證自平衡小車盡快穩(wěn)定在垂直位置。 自平衡小車速度控制 由于直流有刷電機的轉(zhuǎn)動慣量相對可以做到很小，控制特性好，響應(yīng)速度快，并且具有很寬的調(diào)速范圍，速度快，滿足兩輪自平衡小車的靈敏性和快速性要求；泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 當(dāng)直流電機低速運轉(zhuǎn)時，平穩(wěn)性好，能夠滿足自平衡小車模型穩(wěn)定性要求，所以我們選擇直流電機作為小車模型車輪驅(qū)動裝置，通過控制直流電機速度實現(xiàn)自平衡小車的平衡。 根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速方程： (26) 式中， n — 為電機轉(zhuǎn)速（ /minr ）； U — 電樞電壓（ V ）； I — 電樞電流（ A ）； R — 電樞回路總電阻（ ? ）； ? — 勵磁磁通（ Wb ）； eK — 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。所以我們可以知道調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，有三種方法，在自平衡小車上我們是通過改變電樞供電電壓 U 來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的。 供電電壓 U 是由 MSP430F149單片機輸出的 PWM波形驅(qū)動電機驅(qū)動芯片而輸出的： onUU??? (27) /onTT?? (28) 式中， ? 為 PWM占空比； onU 為 PWM波形控制電機驅(qū)動芯片輸出脈沖的最高的電壓值（ V ）； onT 為脈沖高電平持續(xù)時間； T 為 PWM 輸出周期（控制直流電機時我們一般選擇 10KHz 的） 。所以，我們是通過控制 PWM 占空比 ? 的大小 ，來控制直流電機轉(zhuǎn)速的 [1]。 我們都會反問 ? 的大小到底是怎樣確定的呢？由于額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性系統(tǒng)，并且自平衡小車的直流電機上加有加速箱，所以可以將電動機模型簡化成如下的一階慣性環(huán)節(jié)。施加在電機上一個階躍電壓 ()Eut ,電機的速度變化曲線為：
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