簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置倒立排設(shè)計(jì)報(bào)告(已修改)
2024-10-24 13:02 本頁(yè)面
【正文】 0 1 題目及要求 題目： 簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置 圖 11 旋轉(zhuǎn)倒立擺結(jié)構(gòu)示意圖 要求 1．基本要求 （ 1）擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)（擺角 0176。）開(kāi)始，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂作 往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動(dòng)，并盡快使擺角達(dá)到或超過(guò) 60176。 ~ +60176。； （ 2）從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，盡快增大擺桿的擺動(dòng)幅度，直至完成 圓周運(yùn)動(dòng)； （ 3）在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近 165176。位置，外力 撤除同時(shí)，啟動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于 5s；期間 旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不大于 90176。 2．發(fā)揮部分 （ 1）從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盡快使 擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于 10s； 1 （ 2）在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或 2s內(nèi)恢復(fù) 倒立狀態(tài)； （ 3）在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運(yùn)動(dòng)，并盡快使單方向 轉(zhuǎn)過(guò)角度達(dá)到或超過(guò) 360176。； （ 4）其他。 方案比較 1． 控制系統(tǒng)方案的比較與選擇方案 方案一： 采用大規(guī)模 可編程邏輯器件 。 FPGA 內(nèi)部具有獨(dú)立的 I/O 接口和邏輯單元，使用靈活，適用性強(qiáng)，且相對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，還有速度快，外圍電路少，集成度高的特點(diǎn)，因此特別適用于復(fù)雜邏輯電路設(shè)計(jì)。但是 FPGA 的成本偏高，算術(shù)運(yùn)算能力不強(qiáng)，而且由于本設(shè)計(jì)對(duì)輸出處理的速度要求不高，所以 FPGA 高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn) 方案二 ： 用 模擬電路 來(lái)產(chǎn)生電機(jī)的控制信號(hào)。對(duì)于脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)制信號(hào)獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要 500Hz(周期是2ms)的信號(hào)，這對(duì)運(yùn)放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用 5mV 以上的控制電壓的變化就會(huì)引起電機(jī)的抖動(dòng)，對(duì)于機(jī)載的測(cè)控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號(hào)噪聲都遠(yuǎn)大于 5mV，所以濾波電路的精度難以達(dá)到電機(jī)的控制精度要求 方案三： 采用 DSP， DSP 具有 強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度 ，且具有可編程性， 需要模數(shù)轉(zhuǎn)換 ,采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒(méi)有無(wú)源設(shè)備可靠。 雖然 其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)缺點(diǎn) ， 但價(jià)格昂貴而且我們對(duì)其并不熟悉 方案 四 ： 用 單片機(jī) 作為電機(jī)的控制單元。 我們采用 STM32F103RCT6，該款單片機(jī)資源豐富， 16 位的單片機(jī) 使 PWM 信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，從而提高電機(jī)的轉(zhuǎn)角精度 單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為 PWM 信號(hào)輸出到電機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信 號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可 所以，綜上方案的比較，控制系統(tǒng)選擇 方案 四 2 2．角度傳感器的選擇方案 方案一 ： 采用 ADXL456三軸加速度 作為角度傳感器來(lái)獲得 X,Y,Z軸的加速度數(shù)據(jù)，利用 X， Y 軸加速度 Tan（）函數(shù)算出夾角， 通過(guò)算法計(jì)算出角度 ， 從而控制擺桿角度。但因數(shù)據(jù)更新慢，無(wú)法正確反饋角度 ，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)，擺桿擺動(dòng)，切向方向有加速，影響 X軸方向的加速度， 數(shù)據(jù)從而無(wú)法精確控制擺的角度，而且受外界干擾比較大，所以放棄此方案 。 圖 21 三軸加速度計(jì)方案 方案二 ：采用 電位器 作為 角度傳感器來(lái)測(cè)角度， 通過(guò)擺角不同從而電阻不同，通過(guò) AD 測(cè)出電壓值，角度與電壓值呈線性關(guān)系。該方案線性好，數(shù)據(jù)更新快，實(shí)時(shí)反映角度，從而精確擺角。更適合比賽。 圖 22 角度傳感器方案 減速電機(jī) 搖臂 擺桿 控制板 軸承 三軸加速度傳感器 減速電機(jī) 角度傳感器 搖臂 擺桿 控制板 3 鑒于上面分析，角度傳感器采用 方案二 。 3． 電機(jī)選擇方案 方案一 ：采 用 舵機(jī) 的缺點(diǎn)是不利于調(diào)節(jié)速度 ， 扭力小，不利于擺動(dòng)，所以 放棄此方案 。 方案二 :采用 步進(jìn)電機(jī) 的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能很差， 扭力小，所以加速度小，而且有震動(dòng)， 放棄此方案。 方案三 ：采用 減速電機(jī) ，具有永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn) ，扭力大，加速快，易于桿的擺動(dòng)，適合比賽要求 基于上面分析，電機(jī)選擇 方案三 。 4．電機(jī)驅(qū)動(dòng) 選擇方案 方案一： LM298 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小， 線性好，對(duì)鄰近電路影響小。缺點(diǎn)功率器件工作在線性區(qū)，功率低和散熱問(wèn)題嚴(yán)重，驅(qū)動(dòng)功率小，而本系統(tǒng)電機(jī)功率大，而且壓降大，容易發(fā)熱，影響驅(qū)動(dòng)性能。 方案二 : 場(chǎng)效應(yīng)管 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 具有內(nèi)阻極小、 驅(qū)動(dòng)功率大， 開(kāi)關(guān)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。并且加散熱片很方便 基于上面分析，電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇 方案 二 4 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 模式信 息 方向 PWM 改變 旋轉(zhuǎn)臂角度 擺 桿角度 圖 31 系統(tǒng) 整體圖 本系統(tǒng)主控芯片采用 STM32F103RCT6 單片機(jī)，通過(guò) 場(chǎng)效應(yīng)管電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)。角度傳感器采集擺桿角度反饋給主控芯片，電機(jī)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)控制。本系統(tǒng)附加了矩陣鍵盤模式選擇和 LCD 顯示兩個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn) 控制模式選擇和信息的實(shí)時(shí)顯示 。 主控芯片 減速電機(jī) LCD 顯示器 角度傳感器 控制 反饋 顯示信息 矩陣鍵盤 掃描 5 單元模塊的設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) ：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制中心 ，此次單片機(jī)采用STM32F103RCT6，本系統(tǒng)用到 TIM1 的 定時(shí)中斷， A/D 轉(zhuǎn)換 。 主要作用是：采集角度傳感器數(shù)據(jù)，反饋閉環(huán) 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)矩陣鍵盤的鍵位，控制功能模式 切換 。 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng) 電路原理圖 PA0WKUP14PA115PA216PA317PA420PA521PA622PA723PA841PA942PA1043PA1144PA1245PA13/TJMS/SWDIO46PA14/TTCL/SWCLK49PA15JTDI50PB026PB127PB2/BOOT128PB3/JTDO55PB4/JNTRST56PB557PB658PB759PB861PB962PB1029PB1130PB1233PB1334PB1435PB1536PC08PC19PC210PC311PC424PC525PC637PC738PC839PC940PC1051PC1152PC1253PC13TAMPERRTC2PC14/OSC3
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