大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽論文簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置(c題)-全文預(yù)覽
【正文】 24L33u+C2220UF+12V214。196。181。181。X012X114X215X311Y01Y15Y22Y34INH6A10B9VEE7X13Y3U2CD4052R120kR220kR320kR420k+5GND1VIN+5ON/OFF3GND4FEEDBACK2OUTPUTLM2596191。191。 24附件1：系統(tǒng)電路原理圖 P0P0P1P1P2P2P3P3J0J0J1J1K0K0K1K1K2K2K3K3T0T0T1T1T2T2T3T3T4T4T5T5T6T6T7T7K4K4K5K5B0B0B1B1B2B2B3B3B4B4B5B5B6B6B7B7P7P7P6P6P5P5P4P4K7K7NCNCM7M7M6M6M5M5M4M4M3M3M2M2M1M1M0M0J7J7J6J6S7S7S6S6S5S5S4S4S3S3S2S2S1S1S0S0+5+5+5+5GNDGNDGNDGNDAD15AD15AD14AD14AD13AD13AD12AD12AD11AD11AD10AD10AD9AD9AD8AD8AD7AD7AD6AD6AD5AD5AD4AD4AD3AD3AD2AD2AD1AD1AD0AD0A7A7A6A6A5A5A4A4A3A3A2A2A1A1A0A0VRHVRHGNDGNDGNDGND+5+5H7H7H6H6H5H5H4H4E7E7E6E6E5E5E4E4H3H3H2H2H1H1H0H0E3E3E2E2E1E1E0E09S12XS/EP11212345678S1178。在第四天的下午，離比賽結(jié)束還有幾個(gè)小時(shí)時(shí)，我們放棄了一直堅(jiān)持的程序主線——將加速度環(huán)作為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)而采用了將速度環(huán)作為內(nèi)環(huán)，而加速度環(huán)作為外環(huán)，消除了速度的采樣滯后，才取得了比較可喜的進(jìn)步，但是由于時(shí)間實(shí)在太有限，我們沒有機(jī)會(huì)將所有部分都完美的移植在新的程序思路上。綜上所述，本設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測(cè)試次數(shù)12345678保持時(shí)間（s）55555555旋轉(zhuǎn)臂最大轉(zhuǎn)動(dòng)角 （度）9090909090909090測(cè)試功能四：從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，控制旋轉(zhuǎn)臂做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立時(shí)間不小于10s測(cè)試次數(shù)12345678擺起時(shí)間（s）2312．514保持時(shí)間（s）101001010101010測(cè)試功能五：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)。記錄下每次實(shí)現(xiàn)不同功能的性能指標(biāo)。 電機(jī)控制程序內(nèi)容：見附件3主程序與子程序框圖 圖3 主程序與子程序框圖“起擺做圓周運(yùn)動(dòng)”子程序流程圖 圖4 “起擺做圓周運(yùn)動(dòng)”子程序流程圖“起擺并盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)”子程序流程圖 圖5 “起擺并達(dá)到倒立平衡狀態(tài)”子程序流程圖4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果硬件軟件聯(lián)調(diào)：調(diào)試時(shí)，下載線連接單片機(jī)，以便程序執(zhí)行后實(shí)時(shí)觀測(cè)控制算法中多個(gè)變量，如擺桿角度，方向，電機(jī)速度以及加速度等等?，F(xiàn)在加入了旋轉(zhuǎn)臂的速度反饋之后，就可以計(jì)算出了，可以只忽略最后一項(xiàng)，大大減小了誤差。再結(jié)合我們手頭可以得到的關(guān)于直流電機(jī)的各種參數(shù)，我們很難精確地算出時(shí)間常數(shù)，只能近似，而且再加上程序的控制周期遠(yuǎn)小于時(shí)間常數(shù)，綜合考慮之后，我們選擇了忽略公式9中等號(hào)右邊的后兩項(xiàng)變量，也就是近似認(rèn)為直流電機(jī)的控制電壓與加速度成正比關(guān)系，這樣便于單片機(jī)給出控制信號(hào)。 擺桿控制量的分析與計(jì)算 擺桿起振狀態(tài)分析 假設(shè)某一時(shí)刻，擺桿向左擺到了α度，此時(shí)擺桿的受力狀態(tài)如圖X所示：A點(diǎn)為擺桿與旋轉(zhuǎn)臂連接處，設(shè)此時(shí)擺桿收到旋轉(zhuǎn)臂的力為F，方向如圖所示，此時(shí)力F的作用是使擺桿繼續(xù)向左擺起，即增大擺桿的擺動(dòng)復(fù)讀。然后每經(jīng)過一個(gè)Z相信號(hào)，都會(huì)將角度標(biāo)準(zhǔn)重新標(biāo)定一下（標(biāo)定0度），之后我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)標(biāo)定很有必要，因?yàn)閿[桿在最低點(diǎn)的往復(fù)擺中，由于方向時(shí)刻改變，而測(cè)速脈沖（編碼器A相信號(hào)和B相信號(hào)異或之后的信號(hào)，相當(dāng)于二分頻）在方向不同是會(huì)有一個(gè)相移，導(dǎo)致測(cè)速脈沖有一個(gè)累積誤差。為了解決這個(gè)問題，我們?cè)跀[桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)擺桿處于0位時(shí)，我們?cè)诔绦蛑性诖丝淘黾右粋€(gè)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(gè)小的控制量，來實(shí)現(xiàn)最初的起振。而對(duì)于電機(jī)的控制，是通過檢測(cè)到反饋到單片機(jī)的擺桿擺動(dòng)的角度，然后單片機(jī)輸出PWM控制一個(gè)小的加速度給電機(jī)，這個(gè)加速度擺桿向反方向擺動(dòng)更大的角度。然后用兩個(gè)固定夾固定在桌子邊緣。綜合考慮采用方案二。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇方案一：采用購(gòu)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(hù)單片機(jī)不受電機(jī)的影響，最大程度的保護(hù)單片機(jī)。360度旋轉(zhuǎn)舵機(jī)內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路，用單片機(jī)輸出的信號(hào)可以直接驅(qū)動(dòng)，接線方便，但是舵機(jī)的轉(zhuǎn)速普遍很低，加速度不能達(dá)到理想的要求。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，停止的位置只取決于脈沖信號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。 角度傳感器模塊的論證與選擇方案一：采用絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器。選擇減速直流電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量擺桿的角度，單片機(jī)輸出占空比可變的PWM波控制電機(jī)角加速度，從而控制電機(jī)的加速度和給擺桿固定軸心的扭矩，實(shí)現(xiàn)控制擺桿的擺動(dòng)幅度并達(dá)到和保持平衡狀態(tài)。由于直流電機(jī)屬于一階慣性，經(jīng)分析在控制周期遠(yuǎn)小于電機(jī)時(shí)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。關(guān)鍵詞：XS128 直流電機(jī) 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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇 12理論分析與計(jì)算 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析 2 擺桿 2 底座 2 2 直流電機(jī)的機(jī)械特性 2 直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性分析 2 直流電機(jī)加速度分析與計(jì)算 3 4 4 4 4 擺桿控制量的分析與計(jì)算 4 擺桿起振狀態(tài)分析 4 擺桿進(jìn)入開始調(diào)整倒立平衡的角度范圍 53電路與程序設(shè)計(jì) 6 6 6 系統(tǒng)電路原理圖 6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì) 6 7 7 74測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 11 11 測(cè)試條件與儀器 11 測(cè)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(jī)控制源程序 15簡(jiǎn)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(jī)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(gè)模塊的選擇。方案二：采用增量式編碼器。方案一：采用步進(jìn)電機(jī)。舵機(jī)為隨動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)可以外接較大的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載，輸出扭矩大，而且抗
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