簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置電子設(shè)計(jì)-預(yù)覽頁
【正文】 和擺桿擺角，使用直流減速電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)臂動(dòng)作，以 此搭建系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。以上大角度擺動(dòng)、擺桿圓周運(yùn)動(dòng)以及擺桿倒立自平衡等功能。 關(guān)鍵字：旋轉(zhuǎn)倒立擺 PID 控制 陀螺儀 加速度計(jì) II 目 錄 1 系統(tǒng) 方案 ..................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。擺桿 E 通過轉(zhuǎn)軸 D 固定在旋轉(zhuǎn)臂 C 的一端，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂 C 在電動(dòng)機(jī) A 驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)擺桿 E 在垂直于旋轉(zhuǎn)臂 C 的平面作自由旋轉(zhuǎn)。； （ 2）從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，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。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可分為擺桿與懸臂模塊、支架模塊、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器采集模塊、單片機(jī)控制模塊、電源模塊等六部分。另一方面，對(duì)于擺桿我們選擇了輕質(zhì)鋁合金，這樣可以減小擺桿慣性，加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 3 方案比較與選擇 主控芯片方案的選擇： 方案 1：采用 STC15 系列 8051 內(nèi)核單片機(jī)。其工作電壓 較低，頻率可達(dá)200MHz，系統(tǒng)穩(wěn)定，外設(shè)功能豐富， I/O 接口數(shù)可以滿足設(shè)計(jì)要求。伺服電機(jī)響應(yīng)速度快，線性度好，非常適宜此類問題，由于條件所限，放棄此種方案。減速器可以降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，增大力矩，方便控制。但是步進(jìn)電機(jī)的扭矩較小，同時(shí)如果高速運(yùn)行還可能產(chǎn)生振動(dòng)，這樣反而不利于進(jìn)行控制。但是由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，無法采取此種方式。在實(shí)際應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)擺桿轉(zhuǎn)軸處角度的檢測(cè)精度無法滿足擺桿的控制要求。通過陀螺儀角 速度的積分值與加速度計(jì)互補(bǔ)融合，配置合理的參數(shù)，即可測(cè)得反應(yīng)當(dāng)前角度的量。 RS385S 直流電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速為15000rpm177。 擺桿狀態(tài)檢測(cè) 擺桿狀態(tài)檢測(cè)我們采用了加速度計(jì)與陀螺儀配合的方式進(jìn)行測(cè)量。兩者融合我們采用了較為簡(jiǎn)單的互補(bǔ)濾波，從而得到擺桿角度變化信息。 方案 1：采用 PID控制方案。 實(shí)現(xiàn)算法時(shí)，我們可以測(cè)量擺桿的偏角，將其信息反饋給微處理器，通過 PID 算法校正消除輸出與給定值的偏差，實(shí)現(xiàn)對(duì)擺桿運(yùn)動(dòng)的控制。通過狀態(tài)反饋可以改變閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)，而極點(diǎn)位置與系統(tǒng)性能密切相關(guān)。 在模擬系統(tǒng)中， PID 算法表達(dá)式為： ])()(11)([)( dt tdeTddtteTteKptP ? ??? 在數(shù)字系統(tǒng)中，我們需要將 PID 離散化， PID 算法離散化表達(dá)式如下： ?? ?????kjkEkEKdjEKikK p EkP0)]1()([)()()( 這樣我們就可以將連續(xù)的 PID 公式轉(zhuǎn)化為差分方程，從而方便地用程序?qū)崿F(xiàn)算法。由于積分對(duì)系統(tǒng)有滯后的作用，會(huì)影響到擺桿的穩(wěn)定，所以在整定參數(shù)時(shí)需要盡可減少積分系數(shù)。電源模塊采用 TPS7350 作為穩(wěn)壓芯片，將 7,.2V的電源轉(zhuǎn)換為 5V用于控制板供電。關(guān)于角度傳感器，由于可能采用不同的傳感器，我們引出了計(jì)數(shù)器和 AD 轉(zhuǎn)換接口。兩片 BTN7971B 芯片搭成 H 橋電路，這樣只需通過兩路 PWM 就可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 9 圖 10 電壓檢測(cè)模塊子系統(tǒng)電路圖 程序的設(shè)計(jì) 在主函數(shù)中初始化硬件和變量參數(shù)，進(jìn)入大循環(huán)。 測(cè)試儀器： 量角器，無線串口，計(jì)算機(jī)， 5g 砝碼。 30 177。 25 177。 5 180177。 10 177。 30 177。 5 177。 5 擺桿 /度 180177。與此同時(shí)，本倒立擺抗擾動(dòng)能力較強(qiáng)，可以較快恢復(fù)直立狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)臂的控制也較為精確。 參考文獻(xiàn)： [1] 潘新民 王燕芳， 《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（第二版）》 ，北京：電子工業(yè)出版社， 2020. [2] 胡壽松， 《自動(dòng)控制原理（第五版）》 ，北京：科學(xué)出版社， 2020. [3] 張鳳眾， 基于 80C51 單片機(jī)的圓形倒立擺系統(tǒng)設(shè)計(jì) ， 碩士論文， 2020. [4] 王宜懷 吳瑾 蔣銀珍， 《嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)踐 — ARM CortexM4 Kiis 微控制器》 ，北京：電子工業(yè)出版社 . 16 附錄 1：電路原理圖 17
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