簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置電子設計-在線瀏覽
2024-10-29 22:34本頁面
【正文】 2020 年全國大學生電子設計競賽 簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（ C 題） 【本科組】 2020 年 9 月 7 日 I 簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（ C 題） 摘 要 本設計根據(jù)選題要求搭建制作一臺簡易平面圓周倒立擺控制裝置，系統(tǒng)基本功能要實現(xiàn)：擺桿的正負 60176。以上大角度擺動、擺桿圓周運動以及擺桿倒立自平衡等功能。控制方案采用兩個 PID 控制器分別控制旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角和擺桿擺角，通過對 PID 參數(shù)的整定來實現(xiàn)對擺桿姿態(tài)的控制。 關鍵字：旋轉(zhuǎn)倒立擺 PID 控制 陀螺儀 加速度計 II 目 錄 1 系統(tǒng) 方案 ..................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。旋轉(zhuǎn)倒立擺的結構如圖 1 所示。擺桿 E 通過轉(zhuǎn)軸 D 固定在旋轉(zhuǎn)臂 C 的一端，當旋轉(zhuǎn)臂 C 在電動機 A 驅(qū)動下作往復旋轉(zhuǎn)運動時，帶動擺桿 E 在垂直于旋轉(zhuǎn)臂 C 的平面作自由旋轉(zhuǎn)。）開始，驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動，并盡快使擺角達到或超過 60176。； （ 2）從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動； （ 3）在擺桿處于自然下垂狀態(tài)下，外力拉起擺桿至接近 165176。 2．發(fā)揮部分 （ 1）從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復旋轉(zhuǎn)運動，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時間不少于 10s； （ 2）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)恢復倒立狀態(tài)； 2 （ 3）在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運動，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過角度達到或超過 360176。 系統(tǒng)結構 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可分為擺桿與懸臂模塊、支架模塊、電機與驅(qū)動模塊、傳感器采集模塊、單片機控制模塊、電源模塊等六部分。 圖 2 系統(tǒng)結構總圖 以下是我們的 具體設計方案。另一方面，對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)動態(tài)響應。擺桿通過軸承與旋轉(zhuǎn)臂相連，這樣既可以使用編碼器測量擺桿的角度、角速度等參數(shù)， 同時又能保證擺桿自由靈活地旋轉(zhuǎn)。 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。另一方面，其 I/O 接口有限，同時處理速度相對較慢，中斷系統(tǒng)不 是非常穩(wěn)定。其工作電壓 較低，頻率可達200MHz，系統(tǒng)穩(wěn)定，外設功能豐富， I/O 接口數(shù)可以滿足設計要求。 綜上所述，我們采用飛思卡爾 K60 作為主控芯片。伺服電機響應速度快，線性度好，非常適宜此類問題，由于條件所限，放棄此種方案。直流電機控制方便，使用單片機的 PWM接口配合電機驅(qū)動即可方便控制。減速器可以降低電機轉(zhuǎn)速，增大力矩，方便控制。 方案 3：采用步進電機。但是步進電機的扭矩較小，同時如果高速運行還可能產(chǎn)生振動，這樣反而不利于進行控制。 角度測量方案的選擇： 方案 1：采用專用角度傳感器。但是由于實驗室條件限制，無法采取此種方式。這樣，通過讀取單片機的計數(shù)模塊再經(jīng)過簡單的正負判斷處理就可以很容易測得兩轉(zhuǎn)軸處的角度變化。在實際應用中，我們發(fā)現(xiàn)擺桿轉(zhuǎn)軸處角度的檢測精度無法滿足擺桿的控制要求。 4 方案 3：旋轉(zhuǎn)臂與電機連接處使用雙向編碼器，擺桿上固定 陀螺儀 加速度計模塊 ，陀螺儀可以直接測得角速度，而其對時間的積分即為當前偏離角度。通過陀螺儀角 速度的積分值與加速度計互補融合，配置合理的參數(shù)，即可測得反應當前角度的量。 2 系統(tǒng)理論分析與計算 電動機選型 由于條件限制，在沒有伺服電機的情況下，我們使用了帶減速齒輪的 RS385S 直流電機。 RS385S 直流電機負載轉(zhuǎn)速為15000rpm177。其負載電流為 ，兩片 BTN7971B 搭成的 H橋驅(qū)動模塊可以滿足其電流需求，同時實驗中我們發(fā)現(xiàn)如果堵轉(zhuǎn)，電流增大，驅(qū)動芯片電路也可以自動斷電，使 電機得到保護。 擺桿狀態(tài)檢測 擺桿狀態(tài)檢測我們采用了加速度計與陀螺儀配合的方式進行測量。但是陀螺儀在累加過程中累積值會受溫度影響而變化，這就需要我們使用加速度計進行校正，即在陀螺儀積分的過程中定
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