簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置電子設(shè)計(jì)-wenkub
2022-09-06 22:34:45 本頁(yè)面
【正文】 根據(jù)選題要求搭建制作一臺(tái)簡(jiǎn)易平面圓周倒立擺控制裝置，系統(tǒng)基本功能要實(shí)現(xiàn)：擺桿的正負(fù) 60176。另外，為了系統(tǒng)調(diào)試方便，還設(shè)計(jì)了液晶顯示+鍵盤(pán)的輔助調(diào)試模塊，借助該模塊可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示擺桿擺角及擺臂旋轉(zhuǎn)角度， PID 參數(shù)修訂，擺桿動(dòng)作切換等附加功能。電動(dòng)機(jī) A 固定在支架 B 上，通過(guò)轉(zhuǎn)軸 F 驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂 C 旋轉(zhuǎn)。 ~ +60176。； （ 4）其他。擺桿與支架的連接可以通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)減速齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，這樣可以增大電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力矩，使得擺桿對(duì)懸臂動(dòng)作的響應(yīng)加快，提高控制性能。另外，我們還需要搭建一個(gè)穩(wěn)定的底座來(lái)固定系統(tǒng)，減少系統(tǒng)的振動(dòng)，搭建一個(gè)支架，用于解決擺桿、旋轉(zhuǎn)臂圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的繞線問(wèn)題。 方案 2：采用飛思卡爾 K60 單片機(jī)作為主控芯片。 電動(dòng)機(jī)的選擇： 方案 1：使用伺服電機(jī)。由于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速很大，所以負(fù)載工作時(shí)需要配合減速器一起使用。步進(jìn)電機(jī)控制精確，可以方便地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，非常適合精準(zhǔn)的控制應(yīng)用場(chǎng)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(cè)定。但是我們使用的編碼器只有 500 線。由于陀螺儀在運(yùn)行過(guò)程中容易受到溫度的影響，使得積分值變得不準(zhǔn)確，所以需要引入加速度計(jì)的值來(lái)對(duì)陀螺儀積分產(chǎn)生的角度進(jìn)行糾正。相比伺服電機(jī)，直流減速電機(jī)定位性能稍差。另外， RS385S 直流電機(jī)帶減速器后力矩很大，可以快速帶動(dòng)一定質(zhì)量的負(fù)載，使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度可以滿足要求。對(duì)于加速度計(jì)來(lái)說(shuō)，它的 值不夠平滑，所以不能準(zhǔn)確反映當(dāng)前角度值，但是加速計(jì)值不會(huì)產(chǎn)生較大的飄移。 5 圖 3 陀螺儀 加速度計(jì)測(cè) 角度方法 驅(qū)動(dòng)與控制算法 根據(jù)所學(xué)經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論方面的知識(shí)，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(guò)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(jí)控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。經(jīng)典控制理論的研究對(duì)象是單輸入單輸出系統(tǒng)，需要較為精確的數(shù)學(xué)模型，而現(xiàn)代控制理論則是將經(jīng)典控制理論擴(kuò)展到多輸入、多輸出系統(tǒng)。 6 圖 4 推測(cè)平面圓形倒立擺極點(diǎn)配置圖 綜合考慮對(duì)于算法的熟悉程度以及現(xiàn)有條件下控制模型無(wú)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(kāi)關(guān)，傳感器等設(shè)備。 我們可以通過(guò)液晶顯示器的提示，使用按鍵控制倒立擺的運(yùn)動(dòng)方式和傳感器參數(shù)。 總體框圖 圖 6 電路總體框圖 8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 子系統(tǒng)電路原理圖 圖 7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 子電路 原理示意圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(kāi)總中斷按鍵檢測(cè)讀取撥碼開(kāi)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(wù) 子程序流程圖 11 計(jì)算當(dāng)前旋轉(zhuǎn)臂位置控制量時(shí)間片 1時(shí)間片 2時(shí)間片 3時(shí)間片 4YESYESNONONO進(jìn)入定時(shí)中斷采集編碼器檢查標(biāo)志位采集陀螺儀計(jì)算當(dāng)前擺桿控制量時(shí)間片 5計(jì)算當(dāng)前旋轉(zhuǎn)臂速度控制量YES控制量 PWM輸出YES時(shí)間片累加NO中斷返回時(shí)間片清零 圖 12 1ms 定時(shí)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(jì)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(dāng)前編碼器位置量當(dāng)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(jī)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(cè)試 測(cè)試條件與儀器 測(cè)試條件： 硬件電路和機(jī)械構(gòu)造已經(jīng)成型。 30 177。
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