电子设计大赛培训简易旋转倒立摆及其控制装置大学毕业设计论文Word格式文档下载.docx

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1方案论证与比较

1.1系统总方案描述

本系统主要包括电源模块，单片机控制模块，按键选择模块、电机驱动模块、角度检测模块和数据显示模块。

系统以MSP430F149单片机为控制核心，采用36V直流电给驱动供电。

由按键选择倒立摆的工作模式，单片机通过驱动控制电机转动，电机上装有20cm的旋转臂，电机高速旋转带动旋转臂。

旋转臂与摆杆之间装编码器，编码器检测摆杆的转角，并将数据反馈给单片机，位置式PID控制算法对数据处理后，单片机输出PFM波控制驱动改变伺服电机的转速。

图1-1为系统总体框图。

图1-1系统总体框图

控制模块的论证与比较

方案一：

采用51单片机作为本系统的主控制芯片。

51系列单片机功耗较高，8位微型处理器运算速度慢，无硬件乘法器，片内资源少。

但价格低廉，使用简单。

方案二：

采用MSP430F149.单片机作为本系统的主控制芯片

MSP430F149单片机德州仪器开发的一种超低功耗微控制器，它是一款16位单片机，内含12位快速ADC，只需外接一个电阻、一个电容即可实现高精度斜率A/D转换。

并且具有运算速度快，精度高，执行能力强，中断源多等优点。

综上两种方案，MSP430F149单片机比51单片机运算速度快，精度高，处理能力强，功耗低，大大降低了复杂度，整个系统的性价比也很高，我们选择方案二。

1.3电机驱动模块的论证与比较

1.3.1电机的选择与论证

采用BLM57180伺服电机。

BLM57180伺服电机具有良好的启动、制动和调速能力。

可方便在宽范围内实现平滑无极调速。

启动转矩大，转速快、易控制，但需要维护，会产生电磁波干扰，成本高.

步进电机。

步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

综上两种方案，倒立摆的控制需要电机有足够的扭矩，步进电机负载能力较小，虽然可以通过外加加速齿轮来实现，但比较费时费力。

而BLM57180伺服电机虽然成本高，但性能高，转矩大，适合本系统对电机的要求故选择方案二。

1.3.1电机驱动的选择与论证

采用THB6064H驱动模块。

THB6064H是一款专业的PWM斩波两相步进电机驱动芯片。

它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。

适合驱动57、86型步进电机。

：

采用以L298N为主芯片的驱动电路。

L298N是ST公司生产的一种二相和四相电机的专用驱动器。

L298N是可以承受高压大电流的双全桥式驱动器，输出电流大，功率大，可以同时控制两个电机，价格适中，是比较实用的电机驱动模块。

方案三：

采用ACS606驱动。

ACS606是一款简化接口的交流伺服驱动器，在控制接口方面提供脉冲、方向、使能三个信号，专为位置控制模式设计，额定转速达3000rpm，低速可达1rpm，全速度段高平稳低噪音，彻底解决步进丢步、发热、噪音等问题。

综上三种方案，本系统采用ACS606驱动。

因为我们选择了BLM57180伺服电机，而ACS606驱动是一款为伺服电机所设计的驱动，而L298N、THB6064H更适用于步进和直流电机。

1.4角度检测模块的论证与比较

采用导电塑料角位移传感器WDS35D。

WDS35D传感器采用特殊形状的转子和绕线线圈，模拟线性可变差动传感器的线性位移。

WDS35D测量范围为0°

～360°

，输出电压范围输入电压有关，输出精度为1mv，测量精度为0.1°

，线性度好，长期稳定性好，灵敏度高，可以实现对角位移的精确测量。

采用型号为HN3860A5V1024的绝对值编码器。

HN3860A5V1024绝对编码器由机械位置确定编码，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。

编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高。

综上两种方案，WDS35D和HN3806A5V1024编码器都可以实现对角位移的精确测量，但HN3806A5V1024编码器却更容易控制，且抗干扰，数据可靠，适合本设计对角度传感器的要求，故我们选择方案二。

2硬件设计及理论分析

2.1PID控制算法理论分析

系统要实现倒立功能，单片机对角度数据的处理是为重要的。

本系统采用位置式PID控制算法对编码器所测角度数据进行处理，并以此作为参数调节电机的转速，最终实现摆杆倒立。

PID调节是一种线性调节，它将给定值与实际输出值的偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型，控制理论和其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID技术最为方便，即使当我们不完全了解一个系统和被控对象，或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，也适合采用PID控制技术，PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分进行计算。

在本系统中被控对象为摆杆，其数学模型以及理论计算并不容易，故我们采用位置式PID控制算法对编码器所测角度数据进行处理其中P为比例系数；

I为角度误差的积分系数；

D为微分系数。

输出量=P*角度误差n+D/dt*（角度误差n-角度误差n-1）

系统控制框图如2-1所示。

图2-1系统控制框图

2.2单片机控制模块设计

基于MSP430F149单片机的主控电路，MSP430F149是德州仪器开发的一种超低功耗微控制器，16位的CPU集成寄存器和常数发生器，实现了最大化的代码效率。

MSP430F149单片机还具有处理能力强，功耗低，执行能力强，中断源多等优点。

在整个系统中由MSP430F149单片机控制实现编码器数据的采集，角度数据的的处理，电机的驱动。

图2-2为MSP430F149单片机最小系统电路图。

图2-2MSP430F149单片机最小系统电路图

2.3电机驱动模块设计

本系统采用ACS606驱动模块驱动BLM57180伺服电机作为系统的执行机构。

单片机接收编码器所测得的摆杆转角，采用PID控制算法对此数据处理，输出PFM波控制ACS606驱动模块驱动电机。

ACS606是雷赛一款简化接口的交流伺服驱动器，其在控制接口方面提供了脉冲、方向、使能三个信号，专为位置控制模式设计，最高速度可达3500rpm，克服了步进丢步，发热，噪音等问题。

图2-3为驱动与电机及单片机连接的电路图。

图2-3驱动与电机及单片机连接的电路图

2.4角度检测模块设计

本系统采用型号为HN3806A5V1024的绝对值编码器作为测量角度的传感器。

编码器将测量的摆杆转角反馈给单片机，单片机作出相应的响应。

HN3806A5V1024绝对式编码器输出与位置相对应的代码，单片机根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。

从代码数大小的变化可以判别正反方向和位移所处的位置，绝对零位代码可以用于停电位置记忆。

片机通过读取编码器码值的变化测量角度。

图2-4为编码器与单片机的连接电路图。

图2-4编码器与单片机的连接电路图

3系统软件设计

程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统稳定协调的运作。

在本系统中，对各个模块的调试采用分步进行，确定各个模块的独立工作完整性，然后再对整个系统所有模块进行完糅合，使其完成系统的所有功能。

本系统以MSP430F149单片机为控制器，采用C语言对单片机进行编程，系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现。

本系统首先由按键选择倒立摆的工作模式，之后单片机通过驱动模块控制伺服电机转速进而控制摆杆的转角。

模式二由编码器将检测到的摆杆转角数据反馈给单片机，经位置式PID算法处理数据后，单片机输出PFM波控制驱动改变伺服电机的转速。

系统主流程图如图3-1所示。

图3-1主流程图

4系统测试

4.1主要测试用的仪器

在室温条件下，测试所用仪器如表4-1所示。

表4-1测试仪器

编号

型号

数量

1

示波器

1台

2

万用表

3

量角器

1个

4

秒表

4.2指标测试结果

测试摆杆从处于自然下垂状态开始，是否能够超过±

60°

摆动，是否能够在竖直面内做圆周运动，以及摆杆保持倒立的时间，共测试6组数据，如表4-2所示。

表4-2摆杆角度测试结果

次数

能否超过±

60度摆动

能否做圆周运动

保持倒立的时间（s）

能

5

6

7

4.3测试结果及误差分析

经过测试，本系统基本完成了基础部分的要求，完成情况如表4-3所示。

表4-3测试结果

题目要求

完成情况

基本部分

（1）摆杆从处于自然下垂状态开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过±

。

完成

（2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动。

续表4-3

（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°

位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；

期间旋转臂的转动角度不大于90°

经过测试，本系统完成了预期的目标。

误差分析，由于MSP430F149自身的精度，外围电路中非线性元件，编码器精度导致采集、处理以及最后显示的值有一定误差,微处理器对采集到的信号进行PID调节处理时产生的误差，转轴、旋转臂、摆杆之间有一定的摩擦，这些因素都会造成误差。

总结

经过一周的努力，本组完成了由MSP430F149单片机控制的旋转式倒立摆装置。

通过测试，摆杆能从处于自然下垂状态开始，使摆角达到超过±

，完成圆周运动。

当外力拉起摆杆至接近165°

位置，撤除外力同时，启动控制旋转臂能使摆杆保持倒立状态时间不少于5s，期间旋转臂的转动角度未超过90°

在本次设计中我们了解编码器对角度的测量方法，掌握了PID控制算法。

经过努力，我们完整的实现了设计的目标。

参考文献

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德州仪