【正文】 2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（C題）【本科組】2013年9月6日II摘 要 本系統(tǒng)采用XS128單片機最小系統(tǒng)作為控制中心、與電機驅(qū)動模塊，減速直流電機、旋轉(zhuǎn)臂、擺桿、反饋裝置一起構(gòu)成擺桿角度和電機角速度的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機屬于一階慣性，經(jīng)分析在控制周期遠小于電機時間常數(shù)的情況下建立電壓與加速度的近似比例關(guān)系模型。選擇減速直流電機帶動旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器測量擺桿的角度，單片機輸出占空比可變的PWM波控制電機角加速度，從而控制電機的加速度和給擺桿固定軸心的扭矩，實現(xiàn)控制擺桿的擺動幅度并達到和保持平衡狀態(tài)?？刂品绞讲捎肞ID控制，比例環(huán)節(jié)進行快速響應(yīng)，積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)無靜差，微分環(huán)節(jié)減小超調(diào)，加快動態(tài)響應(yīng)。從而使該系統(tǒng)具有良好的性能，能很好的實現(xiàn)起振、圓周運動、倒立、360度倒立旋轉(zhuǎn)，同時具有很好的抗擾動性能。關(guān)鍵詞：XS128 直流電機 加速度 倒立平衡 目 錄1系統(tǒng)方案 1 角度傳感器模塊的論證與選擇 1 1 電機驅(qū)動模塊的論證與選擇 12理論分析與計算 2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析 2 擺桿 2 底座 2 2 直流電機的機械特性 2 直流電機的動態(tài)特性分析 2 直流電機加速度分析與計算 3 4 4 4 4 擺桿控制量的分析與計算 4 擺桿起振狀態(tài)分析 4 擺桿進入開始調(diào)整倒立平衡的角度范圍 53電路與程序設(shè)計 6 6 6 系統(tǒng)電路原理圖 6 電機驅(qū)動模塊的電路設(shè)計 6 7 7 74測試方案與測試結(jié)果 11 11 測試條件與儀器 11 測試結(jié)果及分析 11(數(shù)據(jù)) 11 125總結(jié) 12附件1：系統(tǒng)電路原理圖 14附件2：電機控制源程序 15簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（C題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由主控模塊、角度傳感器模塊、機械結(jié)構(gòu)模塊、電源模塊等幾部分組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。 角度傳感器模塊的論證與選擇方案一：采用絕對值式旋轉(zhuǎn)編碼器。絕對值式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。但是絕對值式編碼器體積和重量不太理想，安裝后可能會對電機有較大的干擾，而且絕對值編碼器相對昂貴，性價比不高。方案二：采用增量式編碼器。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。增量式編碼器不能定位，但是O位的確定可以通過軟件解決，而且增量式編碼器價格低廉易得，反饋的信號可以滿足題目的要求。綜合考慮以上兩種方案，選擇方案二，采用增量式編碼器。方案一：采用步進電機。步進電機將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，電機的轉(zhuǎn)速，停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，因此可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度。但是步進電機在高速運轉(zhuǎn)下，開環(huán)會產(chǎn)生丟步的情況，開環(huán)控制情況不盡如人意，不是首選的電機。方案二：采用360度旋轉(zhuǎn)舵機。舵機為隨動系統(tǒng)，運動時可以外接較大的轉(zhuǎn)動負(fù)載，輸出扭矩大，而且抗抖動性很好。360度旋轉(zhuǎn)舵機內(nèi)置驅(qū)動電路，用單片機輸出的信號可以直接驅(qū)動，接線方便，但是舵機的轉(zhuǎn)速普遍很低，加速度不能達到理想的要求。方案三：采用帶速度閉環(huán)的直流電機。我們對于直流電機的數(shù)學(xué)模型較為熟悉，而且能夠比較精確地控制位置，速度，和加速度，只要在選擇直流電機型號的時候注意選擇額定參數(shù)較大的電機，能夠輸出足夠的轉(zhuǎn)矩帶動負(fù)載就可以達到要求。而且?guī)俣乳]環(huán)的直流電機可以綜合考慮采用方案三。 電機驅(qū)動模塊的論證與選擇方案一：采用購買的L298N集成芯片，該集成電路帶散熱器和光電耦合器，可以保護單片機不受電機的影響，最大程度的保護單片機。但是經(jīng)過我們連線調(diào)試之后，發(fā)現(xiàn)該種芯片一個致命的缺點，在PWM輸入達到KHZ級別的時候，輸出端波形嚴(yán)重畸變甚至直接輸出高電平，導(dǎo)致電路不能運行在所給的頻率下，經(jīng)分析可能是光耦本身截止頻率就在KHZ級別，一端輸出大電壓之后，帶寬降低，不能滿足要求。方案二：采用L298N芯片，自己制作L298N驅(qū)動模塊，因為L298N驅(qū)動電路較簡單，外圍元器件低廉易得。在將自己制作的L298N電路連線調(diào)試之后，我們發(fā)現(xiàn)完全可以在程序要求的頻率下工作，雖然死區(qū)電壓有些不近人意，低速是電機會有抖動現(xiàn)象，但是總體來說，情況比較樂觀。綜合考慮采用方案二。主控模塊采用XS128最小系統(tǒng)板，因為XS128作為飛思卡爾常用芯片，其PWM波有8個輸出通道，2理論分析與計算 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析 擺桿 由于直流電機的扭矩輸出并不是很大，因此要求負(fù)載很輕甚至能夠忽略為空載，可以為計算和控制帶來很大的簡便，因此選擇了力學(xué)性能優(yōu)異的新材料——碳纖維，它的比重不到鋼的1/4，但強度是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為230~430Gpa亦高于鋼。而且中空碳纖維擺桿，是比較理想的擺桿模型。 底座由于自己加工制作的連接不能精確的達到完全對稱，導(dǎo)致電機不在底座的中央，因此我們選擇質(zhì)量較大的鋼材來做底座，并焊接一個港版來固定底座，防止傾倒。然后用兩個固定夾固定在桌子邊緣。經(jīng)過測試，可以承受電機高速旋轉(zhuǎn)帶來額離心力的作用。 直流電機的機械特性 直流電機在穩(wěn)態(tài)運行下，有下列方程式： 公式1 公式2 公式3 直流電機的動態(tài)特性分析 電機傳動系統(tǒng)的運動方程式為： 公式4 機械特性方程式為： 公式5 由公式1和公式2可得出轉(zhuǎn)速隨時間變化的規(guī)律為： 公式6 由上述分析可以得出結(jié)論：直流電機的物理模型為一階慣性系統(tǒng)。 直流電機加速度分析與計算 由公式4求導(dǎo)可以得到： 公式7 上式中加速度為a，公式4經(jīng)變換可得到加速度的表達式： 公式8 再結(jié)合直流電機機械特性的三個方程式可以得到電機電壓與加速度的關(guān)系如下式所示： 公式9 擺桿從靜止到振蕩是一個需要擺動幅度逐漸增加的過程。而對于電機的控制，是通過檢測到反饋到單片機的擺桿擺動的角度，然后單片機輸出PWM控制一個小的加速度給電機，這個加速度擺桿向反方向擺動更大的角度?；谝陨系某绦蛟O(shè)計，結(jié)合分析了直流電機的物理模型之后，經(jīng)過了一系列簡化計算，我們認(rèn)為電機的加速度幾乎正比于控制電機的電壓，電壓大小可以通過單片機輸出的PWM波的占空比的改變而改變的。因此我們根據(jù)反饋的擺動角度，算出響應(yīng)的加速度控制電機加速轉(zhuǎn)動，這樣擺動角度越大，擺桿收到電機所給的加速度越大，形成一個正反饋環(huán)節(jié)，使擺桿逐步擺動幅度增大，實現(xiàn)起振。特意要說明的是，由于擺桿在自然下垂?fàn)顟B(tài)時檢測到的角度為0，因此按照以上推論，此時單片機輸出的加速度為0，這樣擺桿永遠無法起振。為了解決這個問題，我們在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)擺桿處于0位時，我們在程序中在此刻增加一個很小的角度，使得即使在0位，也可以通過控制算法輸出一個小的控制量，來實現(xiàn)最初的起振。當(dāng)擺桿起振后由于正反饋環(huán)的存在，電機通過旋轉(zhuǎn)臂給擺桿做功，擺桿不斷獲取能量，擺桿擺桿擺動幅度越來越大，直到超過180度，能夠完成一系列圓周運動