簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置倒立排設(shè)計(jì)報(bào)告-文庫(kù)吧資料
2024-10-16 13:02本頁(yè)面
【正文】 ential）控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱。 控制算法分析 控制器的設(shè)計(jì)是倒立擺系統(tǒng)的核心內(nèi)容，因?yàn)榈沽[是一個(gè)絕對(duì)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，為使其保持穩(wěn)定并且可以承 受一定的干擾，需要給系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器。電機(jī)的加速度實(shí)際上是由通過(guò)電機(jī)的電流所產(chǎn)生的電磁力矩決定。此時(shí)電機(jī)基本上運(yùn)行在加速階段。在恒速階段，電 機(jī)帶動(dòng) 搖臂 進(jìn)行恒速運(yùn)行，運(yùn)行速度與施加在電機(jī)上的電壓成正比。其中，在加速階段，電機(jī)帶動(dòng)搖臂 進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，加速度近似和施加在電機(jī)上的電壓成正比，加速階段的時(shí)間長(zhǎng)度取決于時(shí)間常數(shù) T1 。 對(duì)應(yīng)不同的電壓，電機(jī)的速度變化曲線如圖所示。對(duì)于電機(jī)的電磁模型、動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化，可以將電機(jī)轉(zhuǎn)速與施加在其上的電壓之間的關(guān)系簡(jiǎn)化成如下的一階慣性環(huán)節(jié)模型。 總結(jié)控制 擺桿 直立穩(wěn)定的條件如下： （ 1）能夠精確測(cè)量倒立擺 傾角θ的大小和角速度的大??； （ 2）可以控制搖臂 的加速度。其中微分參 數(shù)相當(dāng)于阻尼力，可以有效抑制倒立擺 震蕩。 在角度反饋控制中，與角度成比例的控制量是稱為比例控制；與角速度成比例的控制量稱為微分控制（角速度是角度的微分）?！??2?4??(??1???)2?? （ 27） 系統(tǒng)穩(wěn)定需要兩個(gè)極點(diǎn)都位于 s 平面的左半平面。以及外力干擾加速度 a (t) x(t) 之間的運(yùn)動(dòng)方程 . 對(duì)應(yīng) 擺桿 靜止時(shí)，系統(tǒng)輸入輸出的傳遞函數(shù)為： H(s) = ??（ s）??(??) = 1??2????? （ 24） 此時(shí)系統(tǒng)具有兩個(gè)極點(diǎn) s = √???? （ 25） 一個(gè)極點(diǎn)位于 s 平面的右半平面，因此倒立擺不穩(wěn)定。 假設(shè)倒立擺 模簡(jiǎn)化 成高度為 L，質(zhì)量為 m 的簡(jiǎn)單倒立擺。只要保證在 條件下，可以使得倒立擺 像單擺一樣維持在直立狀態(tài)。因此式（ 21）可變?yōu)? 10 F = mgθ ?m??1θ? m ??2??? （ 2?2） 按照上面的 控制方法，可把倒立擺模型變?yōu)閱螖[模型，能夠穩(wěn)定在垂直位置。因此需要另外增加控制阻尼力。 此外，為了使得倒立擺能夠盡快地在垂直位置穩(wěn)定下來(lái)，還需要增加阻尼力。假 設(shè)負(fù)反饋控制是擺 成正比，比例為 。 控制倒立擺搖臂，使得它作加速運(yùn)動(dòng) ， 這樣站在 搖臂 上（非慣性系，以 擺軸作為坐標(biāo)原點(diǎn)） 為 分析倒立擺受力，它就會(huì)受到額外的慣性力，該力與搖臂 的加速度方向相反，大小成正比。那么，如何使倒立擺 穩(wěn)定在垂直位置呢？要達(dá)到這一目的，只有兩個(gè)辦法： 一是通過(guò)控制使得倒立擺能夠 倒立平衡， 二是 增加額外的受力 使得恢復(fù)力與位移 方向相反 。 圖 35 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成 圖 36 減速 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 單片機(jī) PWM 信號(hào) 減速電機(jī) 8 電源電路 功能 ：為單片機(jī)工作提供電源 圖 37 5V 供電系統(tǒng) 圖 38 供電系統(tǒng) input 12vouput 5v680uFC12Cap220uFC13CapGNDGNDGNDD2Diode IN5824L1InductorGNDGNDVIN1ON/OFF2GND3feedback5OUTPUT4LM2596 5V* lm25961Vin2Vout3GND*AMS117 5VC?100uFC?100uFC?C?CapGND 9 倒立擺 物理 受力分析 F3 F1 F2 mg 圖 41 受力分析圖 倒立擺之所以不能穩(wěn)定在垂直位置，就是因?yàn)樵谒x平衡位置的時(shí)候，所受到的回復(fù)力與位移方向相同 。 正因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，在連接好下圖電路后，控制臂 1 置高電平（ U=VCC）、控制臂 2 置低電平（ U=0）時(shí)， Q Q4 關(guān)閉， Q Q3 導(dǎo)通，電機(jī)左端低電平，右端高電平，所以電流沿箭頭方向流動(dòng)。 角度與電阻先行關(guān)系 1000 歐 /（ 10圈 *360 度 ） = 歐 /度 Y=*X(X 為度數(shù)， Y為電阻值 ) 電路接口連接圖 圖 34 角 度傳感器 電路連接圖 vcc1data2GND3角度傳感器*dourns 3596VCCGND100ufC?CapPA0 7 減速 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于四個(gè)開(kāi)關(guān)， P 型管在柵極為低電平時(shí)導(dǎo)通，高電平時(shí)關(guān)閉； N 型管在柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)閉。 主要作用是：采集角度傳感器數(shù)據(jù)，反饋閉環(huán) 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)矩陣鍵盤的鍵位，控制功能模式 切換 。本系統(tǒng)附加了矩陣鍵盤模式選擇和 LCD 顯示兩個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn) 控制模式選擇和信息的實(shí)時(shí)顯示 。并且加散熱片很方便 基于上面分析，電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇 方案 二 4 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 模式信 息 方向 PWM 改變 旋轉(zhuǎn)臂角度 擺 桿角度 圖 31 系統(tǒng) 整體圖 本系統(tǒng)主控芯片采用 STM32F103RCT6 單片機(jī)，通過(guò) 場(chǎng)效應(yīng)管電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)。缺點(diǎn)功率器件工作在線性區(qū)，功率低和散熱問(wèn)題嚴(yán)重，驅(qū)動(dòng)功率小，而本系統(tǒng)電機(jī)功率大，而且壓降大，容易發(fā)熱，影響驅(qū)動(dòng)性能。 方案三 ：采用 減速電機(jī) ，具有永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn) ，扭力大，加速快，易于桿的擺動(dòng)，適合比賽要求 基于上面分析，電機(jī)選擇 方案三 。 3． 電機(jī)選擇方案 方案一 ：采 用 舵機(jī) 的缺點(diǎn)是不利于調(diào)節(jié)速度 ， 扭力小，不利于擺動(dòng)，所以 放棄此方案 。更適合比賽。 圖 21 三軸加速度計(jì)方案 方案二 ：采用 電位器 作為 角度傳感器來(lái)測(cè)角度， 通過(guò)擺角不同從而電阻不同，通過(guò) AD 測(cè)出電壓值，角度與電壓值呈線性關(guān)系。 我們采用 STM32F103RCT6，該款單片機(jī)資源豐富， 16 位的單片機(jī) 使 PWM 信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，從而提高電機(jī)的轉(zhuǎn)角精度 單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為 PWM 信號(hào)輸出到電機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信 號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可 所以，綜上方案的比較，控制系統(tǒng)選擇 方案 四 2 2．角度傳感器的選擇方案 方案一 ： 采用 ADXL456三軸加速度 作為角度傳感器來(lái)獲得 X,Y,Z軸的加速度數(shù)據(jù)，利用 X， Y 軸加速度 Tan（）函數(shù)算出夾角， 通過(guò)算法計(jì)算出
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