【正文】 現(xiàn)本設(shè)計題目要求。方案一：采用ZD6560V4步進(jìn)電機驅(qū)動器，高可靠性，接口采用超高速光耦隔離，細(xì)分?jǐn)?shù)可選1/1,1/2,1/4,1/8,1/16。有方向和脫機等可以通過單片機來控制，電源剛好能接12V直流電壓。方案三：采用2MA320集成驅(qū)動模塊，電路設(shè)計簡單，具有電機噪聲優(yōu)化功能，可以通過撥碼開關(guān)細(xì)分，細(xì)分1128可選，易于實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計。方案一:采用直流電機，直流電機價格低，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)，過載、起動、制動轉(zhuǎn)矩大，難于控制轉(zhuǎn)軸的角度和轉(zhuǎn)速。電流3A，額定電壓24V，工作電壓1232V，因此能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂的精確控制，而且當(dāng)不給步進(jìn)電機發(fā)送脈沖的時候，能實現(xiàn)自鎖，更好的控制旋轉(zhuǎn)臂的停止和正反轉(zhuǎn)，以及加速。舵機為隨動系統(tǒng)，運動時可以外接較大的轉(zhuǎn)動負(fù)載，輸出扭矩大，而且抗抖動性很好。所以我選用方案二可以帶來旋轉(zhuǎn)臂運動，從以實現(xiàn)功能要求。方案二：采用OMRON公司的E6B2CWZ6C編碼器，光電旋轉(zhuǎn)編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖。綜合以上兩種方案微調(diào)電位器可以很好地達(dá)到的要求，由于本課題精度不高，考慮帶經(jīng)濟性和靈活性，我選擇方案二。方案二：采用開關(guān)電源效率比較高可靠實用，使用效果不錯。方案二：使用1602液晶顯示，能顯示32個數(shù)字或字符，符合本課題的要求綜合各方面的考慮，我選用方案二。驅(qū)動電路模塊按鍵電路模 式選 擇STC89C52單片機電機模塊角度檢測模塊 電 源1602液晶屏顯示模塊旋轉(zhuǎn)臂擺桿 圖21 旋轉(zhuǎn)倒立擺總體框圖第3章 系統(tǒng)理論分析與計算 傳統(tǒng)的控制方法主要是應(yīng)用線性控制理論的方法實現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，但由于倒立擺系統(tǒng)是一個非線性較強、模型較復(fù)雜的多變量系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法對于實現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定有很強的局限性。目前應(yīng)用在倒立擺系統(tǒng)中的控制算法有以下幾類：PID控制、極點配置法、LQR法、變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制等。經(jīng)典控制理論是用傳遞函數(shù)來描述的，它只能用輸出量作為反饋量。在進(jìn)行系統(tǒng)的分析綜合時，狀態(tài)反饋將能提供更多的矯正信息，因而在形成最優(yōu)控制規(guī)律、抑制或消除擾動影響、實現(xiàn)系統(tǒng)解耦控制等諸多方面，狀態(tài)反饋均獲得了廣泛應(yīng)用。 PID控制簡介PID（Proportional Integral Differential）控制是比例積分微分控制的簡稱。在20世紀(jì)40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。然而直到現(xiàn)在，PID控制由于它自身的優(yōu)點仍然是應(yīng)用最廣泛的基本控制方式之一。其中廣義被控對象包括調(diào)節(jié)閥、被控對象和測量變送元件。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器產(chǎn)品已經(jīng)很多，并在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，許多大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器（intelligent regulator），其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。而可編程控制器（PLC）則是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。即當(dāng)不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。利用臨界比例法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。積 分比 例例微 分 執(zhí)行機構(gòu)對象 R(t) ＋ ＋ Y（t） + ? ＋ 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差：PID控制規(guī)律由三種控制規(guī)律組成：比例，積分，微分。簡單說來，PID控制器各較正環(huán)節(jié)的作用如下： (1) 比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。在電機調(diào)速系統(tǒng)中用雙閉環(huán)調(diào)速控制的控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原來的單回路控制，所以如果在倒立擺控制系統(tǒng)中也引入雙閉環(huán)控制的話，那么理論上控制效果應(yīng)該好于原來的只應(yīng)用狀態(tài)反饋控制的效果。PID控制器的特點是只能對單變量進(jìn)行控制，所以選擇主動裝置——旋轉(zhuǎn)臂的角度輸出作為PID控制器的輸入量。而對電機的控制，是通過檢測到反饋到單片機的擺桿擺動的角度，然后單片機可以控制一個小角速度給電機，這個加速度擺桿向反方向擺動更大的角度。當(dāng)擺桿能夠擺動接近于180度的位置時，希望擺桿能夠趨向平衡位置（180度位置），并動態(tài)保持平衡。然后我將程序設(shè)計為一開始就通過PID調(diào)節(jié)給電機一個最大的加速度，使擺桿盡量能在一個擺動周期內(nèi)擺至180度平衡位置附近，然后結(jié)束擺桿幅度，加速度隨著擺桿與180度平衡位置夾角的大小成正比，加速度方向與夾角變化方向成反比。 擺桿狀態(tài)檢測的計算 擺桿擺起的算法 圖32 倒立擺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 該圖為簡化后的力學(xué)模型，由一個水平旋轉(zhuǎn)臂和擺桿組成，在擺桿前，擺桿處于下垂靜止?fàn)顟B(tài)，正常工作狀態(tài)時，擺桿平衡點為=0，擺桿的保持在一定范圍內(nèi)。設(shè)、分別為水平桿和擺桿的摩擦力矩系數(shù)；和分別為旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)角和角速度，和 分別為擺桿的角度和角速度。 擺桿保持平衡的算法設(shè)擺桿在處的速度為v1，在平衡處的速度為v2，F(xiàn)為施加的外力，L為擺桿距離旋轉(zhuǎn)臂的垂直距離，分別為擺桿的角度和角速度。同時，倒立控制的抗干擾能力對于能否實現(xiàn)“擺起一倒立”控制也有重要影響，因為切換過程中總是存在不夠平穩(wěn)的現(xiàn)象，這需要倒立擺控制算法能夠克服切換產(chǎn)生的擾動。其關(guān)系如下圖： STC89C52芯片電源模塊復(fù)位時鐘電路模塊按鍵模塊1602液晶顯示屏模塊步進(jìn)電機模塊角度檢測模塊 圖41 控制器模塊設(shè)計控制模塊的電路圖： 圖42 控制模塊的電路圖其中STC89C52引腳功能：STC89C52具體介紹如下： ① 主電源引腳（2根）　　VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源　　GND(Pin20)：接地線 ②外接晶振引腳（2根）　　XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端　　XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 ③控制引腳（4根）　　RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。④可編程輸入/輸出引腳（32根）　　STC89C52單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、PPP3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。脈沖有脈沖時工作，高電平有效；無脈沖時鎖定電機并自動半流方向高電平輸入或懸空時正轉(zhuǎn)；低電平輸入時反轉(zhuǎn)脫機高電平輸入或者懸空時正常工作；低電平時脫機 表42 共陽極控制方法 該電機模塊分別設(shè)計電機驅(qū)動模塊的細(xì)分和衰減、電流設(shè)置表43 細(xì)分設(shè)置細(xì)分SW4SW31OFFOFF2OFFON16ONOFF8ONON表44 電流設(shè)置電流SW6SW53AOFFOFFOFFONONOFFONON表45 衰減設(shè)置衰減SW2SW1低OFFOFF慢OFFON中ONOFF快ONON 圖44 電機驅(qū)動模塊實物圖 步進(jìn)電機模塊 步進(jìn)電機模塊中選用57BGY25080型號的步進(jìn)電機，驅(qū)動方式為恒流斬波驅(qū)動，勵磁方式為兩相八拍運行，將其安裝在旋轉(zhuǎn)臂上，其結(jié)構(gòu)如下： 圖45 步進(jìn)電機模塊原理圖其中驅(qū)動器ZD6560V4中的A+，A，B+，B與型號為57BYG25080電機相連接，單片機通過控制電機驅(qū)動器的脈沖+，脈沖來控制電機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)往復(fù)擺動動作。一般規(guī)格： 步距角：176。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。 第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。RS、R/W、E的信號真值表如表 46所示：表46 RS、R/W、E的信號真值表RSR/WE功能00下降沿寫指令代碼01高電平讀忙標(biāo)志和AC值10下降沿寫數(shù)據(jù)11高電平讀數(shù)據(jù) 時鐘振蕩電路 STC89C52中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶振的振蕩頻率為12MHz,故而一個機器周期為1us。對外接電容CC2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性。10pF。一個單片機系統(tǒng)能否正常工作，首先要檢查是否能復(fù)位成功。本設(shè)計采用上電自動復(fù)位的方式。在通電瞬間，電容C通過電阻R充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。關(guān)于參數(shù)的選定在振蕩穩(wěn)定后應(yīng)保證復(fù)位高電平持續(xù)時間大于2個機器周期。圖411 復(fù)位電路 電源模塊 供電電源采用100W 24V開關(guān)穩(wěn)壓電源，其中端子定義為 表47 各端子表示含義腳位號功能腳位號功能1AC/L5DC OUTPUT V2AC/N7DC OUTPUT +V3FG（接地）單組輸出：功率100W輸入電壓：110/220VAC輸出電壓：548VDC 圖4 12 電源模塊第5章 軟件設(shè)計 調(diào)試軟件Keil C51簡介Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性