簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置電子設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-10-01 22:34 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 中斷系統(tǒng)不 是非常穩(wěn)定。 方案 2：采用飛思卡爾 K60 單片機(jī)作為主控芯片。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。同時(shí)，參賽成員對(duì)其具有一定的使用經(jīng)驗(yàn)。 綜上所述，我們采用飛思卡爾 K60 作為主控芯片。 電動(dòng)機(jī)的選擇： 方案 1：使用伺服電機(jī)。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。 方案 2：使用直流減速電機(jī)作為控制電機(jī)。直流電機(jī)控制方便，使用單片機(jī)的 PWM接口配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)即可方便控制。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。減速器可以降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，增大力矩，方便控制。同時(shí) ，這種電機(jī)也較為常見，成本較低。 方案 3：采用步進(jìn)電機(jī)。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。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。 綜上，我們選擇了直流減速電機(jī)。 角度測(cè)量方案的選擇： 方案 1：采用專用角度傳感器。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。但是由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，無法采取此種方式。 方案 2：旋轉(zhuǎn)臂與電機(jī)連接處使用雙向編碼器，擺桿與轉(zhuǎn)軸之間也采用雙向編碼器 。這樣，通過讀取單片機(jī)的計(jì)數(shù)模塊再經(jīng)過簡(jiǎn)單的正負(fù)判斷處理就可以很容易測(cè)得兩轉(zhuǎn)軸處的角度變化。但是我們使用的編碼器只有 500 線。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。綜合考慮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，我們?cè)O(shè)計(jì)了方案 3。 4 方案 3：旋轉(zhuǎn)臂與電機(jī)連接處使用雙向編碼器，擺桿上固定 陀螺儀 加速度計(jì)模塊 ，陀螺儀可以直接測(cè)得角速度，而其對(duì)時(shí)間的積分即為當(dāng)前偏離角度。由于陀螺儀在運(yùn)行過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)的值來對(duì)陀螺儀積分產(chǎn)生的角度進(jìn)行糾正。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。這樣，就可以比較精確地檢測(cè)出擺桿當(dāng)前的角度了。 2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 電動(dòng)機(jī)選型 由于條件限制，在沒有伺服電機(jī)的情況下，我們使用了帶減速齒輪的 RS385S 直流電機(jī)。相比伺服電機(jī)，直流減速電機(jī)定位性能稍差。 RS385S 直流電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速為15000rpm177。 10%，可以較快地響應(yīng)控制。其負(fù)載電流為 ，兩片 BTN7971B 搭成的 H橋驅(qū)動(dòng)模塊可以滿足其電流需求，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)如果堵轉(zhuǎn)，電流增大，驅(qū)動(dòng)芯片電路也可以自動(dòng)斷電，使 電機(jī)得到保護(hù)。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。 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。我們?cè)跀[桿上固定陀螺儀 加速度計(jì)模塊，陀螺儀可以直接測(cè)出角速度，也就是說我們可以通過對(duì)陀螺儀速度的累加而感知擺桿角度的變化情況。但是陀螺儀在累加過程中累積值會(huì)受溫度影響而變化，這就需要我們使用加速度計(jì)進(jìn)行校正，即在陀螺儀積分的過程中定期與加速度計(jì)測(cè)量值進(jìn)行比較，不斷糾正陀螺儀數(shù)據(jù)的飄移。對(duì)于加速度計(jì)來說，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。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。同時(shí)我們知道角速度就是角度的微分，這樣，在求對(duì)擺桿控制的 PID 運(yùn)算的微分值時(shí)，我們可以直接使用陀螺儀采集回來的擺桿的角速度值。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)這種方式可以比較靈敏而準(zhǔn)確地反應(yīng)擺桿角度信息。 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。 方案 1：采用 PID控制方案。 經(jīng)典控制理論的研究 對(duì)象主要是單輸入單輸出的系統(tǒng)， 控制器設(shè)計(jì)時(shí)一般需要有關(guān)被控對(duì)象的較精確模型。 PID 控制器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易調(diào)節(jié)，且不需要對(duì)系統(tǒng)建立精確的模型，在實(shí)際控制中應(yīng)用較廣。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(jí)控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。 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。另外，由于 PID 是單輸入單輸出系統(tǒng)，所以只能控制擺桿平
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