簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置電子設計-wenkub
2022-09-06 22:34:45 本頁面
【正文】 根據(jù)選題要求搭建制作一臺簡易平面圓周倒立擺控制裝置，系統(tǒng)基本功能要實現(xiàn)：擺桿的正負 60176。另外，為了系統(tǒng)調(diào)試方便，還設計了液晶顯示+鍵盤的輔助調(diào)試模塊，借助該模塊可實現(xiàn)實時顯示擺桿擺角及擺臂旋轉(zhuǎn)角度， PID 參數(shù)修訂，擺桿動作切換等附加功能。電動機 A 固定在支架 B 上，通過轉(zhuǎn)軸 F 驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂 C 旋轉(zhuǎn)。 ~ +60176。； （ 4）其他。擺桿與支架的連接可以通過電機帶動減速齒輪機構(gòu)進行連接，這樣可以增大電機轉(zhuǎn)動時的力矩，使得擺桿對懸臂動作的響應加快，提高控制性能。另外，我們還需要搭建一個穩(wěn)定的底座來固定系統(tǒng)，減少系統(tǒng)的振動，搭建一個支架，用于解決擺桿、旋轉(zhuǎn)臂圓周運動時的繞線問題。 方案 2：采用飛思卡爾 K60 單片機作為主控芯片。 電動機的選擇： 方案 1：使用伺服電機。由于直流電機轉(zhuǎn)速很大，所以負載工作時需要配合減速器一起使用。步進電機控制精確，可以方便地控制電機的轉(zhuǎn)角，非常適合精準的控制應用場合。這種傳感器可以將角度量轉(zhuǎn)換為電平值，我們可以直接從 AD 中讀取角度值，非常便于角度測定。但是我們使用的編碼器只有 500 線。由于陀螺儀在運行過程中容易受到溫度的影響，使得積分值變得不準確，所以需要引入加速度計的值來對陀螺儀積分產(chǎn)生的角度進行糾正。相比伺服電機，直流減速電機定位性能稍差。另外， RS385S 直流電機帶減速器后力矩很大，可以快速帶動一定質(zhì)量的負載，使得系統(tǒng)的響應速度可以滿足要求。對于加速度計來說，它的 值不夠平滑，所以不能準確反映當前角度值，但是加速計值不會產(chǎn)生較大的飄移。 5 圖 3 陀螺儀 加速度計測 角度方法 驅(qū)動與控制算法 根據(jù)所學經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論方面的知識，我們選定了兩種基本控制方案。在控制理論和技術(shù)高速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 結(jié)構(gòu)，并且許多高級控制都是以 PID 控制為基礎的。經(jīng)典控制理論的研究對象是單輸入單輸出系統(tǒng)，需要較為精確的數(shù)學模型，而現(xiàn)代控制理論則是將經(jīng)典控制理論擴展到多輸入、多輸出系統(tǒng)。 6 圖 4 推測平面圓形倒立擺極點配置圖 綜合考慮對于算法的熟悉程度以及現(xiàn)有條件下控制模型無法精確建立，我們使用了PID 控制方案。然后再將旋轉(zhuǎn)臂閉環(huán)，整定整體參數(shù)。 其中核心控制板使用 K60 芯片，外接按鍵，撥碼開關(guān)，傳感器等設備。 我們可以通過液晶顯示器的提示，使用按鍵控制倒立擺的運動方式和傳感器參數(shù)。 總體框圖 圖 6 電路總體框圖 8 電機驅(qū)動模塊 子系統(tǒng)電路原理圖 圖 7 電機驅(qū)動模塊 子電路 原理示意圖 電機驅(qū)動模塊采用 BTN7971B 芯片。 圖 9 用于給 K60 芯片供電的 。 主程序流程圖 10 關(guān)中斷硬件初始化變量初始化開總中斷按鍵檢測讀取撥碼開關(guān)液晶顯示發(fā)送調(diào)試信息 圖 11 主程序流程圖 中斷服務 子程序流程圖 11 計算當前旋轉(zhuǎn)臂位置控制量時間片 1時間片 2時間片 3時間片 4YESYESNONONO進入定時中斷采集編碼器檢查標志位采集陀螺儀計算當前擺桿控制量時間片 5計算當前旋轉(zhuǎn)臂速度控制量YES控制量 PWM輸出YES時間片累加NO中斷返回時間片清零 圖 12 1ms 定時中斷中斷函數(shù)流程圖 擺桿控制 PID 子程序流程圖 12 給定角度采集陀螺儀值采集加速度計值融合角度求偏差PID 控制輸出 PWM讀取 AD 圖 13 擺桿 PID 控制算法流程圖 13 讀取當前編碼器位置量當前位置與給定作差得 E （ k ）比例Pp ( k )= KpE ( k )積分Pi ( k )= KiE ( k )+ Pi ( k 1 )微分Pd ( k )= Kd [ E ( k )+ E ( k 1 )]P ( k )= Pp ( k )+ Pi ( k )+ Pd ( k )轉(zhuǎn)換成電機給定量PWM 輸出 圖 14 擺角位置控制 PID 算法流程圖 4 系統(tǒng)測試 測試條件與儀器 測試條件： 硬件電路和機械構(gòu)造已經(jīng)成型。 30 177。
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