简易旋转倒立摆及控制装置论文.doc

4I此处贴密封纸，然后掀起并折向报告背面，最后用胶水在后面粘牢。2013年全国大学生电子设计竞赛简易旋转倒立摆及控制装置（C题）2013年9月7日摘要简易旋转倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。此系统包括机械部分和控制部分。机械部分包括固定台、旋转臂、摆杆、转轴等。控制部分包括主控芯片、精密变阻器、电机等。主控芯片选用MSP430单片机，其输出PWM（脉冲调宽）和DIR（方向）信号到电机驱动电路，使旋转臂转动，并带动摆杆运动，精密变阻器WDD35D-4测量旋臂和摆杆的偏转角度的信号变化，送给主控芯片，经过A/D转换后，根据一定的状态反馈控制算法计算出控制律，单片机根据拟定的控制律计算出必要的数字控制信号，经过D/A转换,调节PWM和DIR的输出，使电机转动，带动旋转臂运动，使摆杆转动。经测试，整体功能齐全，灵敏度、抗干扰性、准确度等各项性能指标均达到设计要求。关键字：旋转倒立摆系统、MSP430单片机、精密变阻器WDD35D-4目录1系统方案11.1处理器的论证与选择11.2传感器的论证与选择11.3电机的论证与选择11.4电机驱动的论证与选择22系统理论分析与计算32.1电机选型的分析32.1.1直流电机模型32.1.2PWM电机调速原理32.1.3直流电机的选定42.2摆杆状态检测的计算52.2.1摆杆摆起的算法52.2.2摆杆保持平衡的算法62.2.3抗干扰62.3PID控制算法的计算62.3.1PID控制原理如图62.3.1比例环节62.3.2积分环节62.3.3微分环节73电路与程序设计83.1电路的设计83.1.1旋转倒立摆系统总体框图83.1.2硬件电路子系统框图与电路原理图83.1.3光电传感器子系统框图与电路原理图93.1.4电源103.2程序的设计113.2.1程序功能描述与设计思路113.2.2程序流程图124测试方案与测试结果164.1测试方案164.2测试条件与仪器174.3测试结果及分析184.3.1测试结果(数据)184.3.2测试分析与结论18参考文献19附录1：电路原理图20附录2：源程序21430简易旋转倒立摆及控制装置（C题）1系统方案本系统主要由处理器模块、传感器模块、电机驱动模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1处理器的论证与选择方案一：ARM处理器。采用ARM处理器进行数据处理，ARM处理器处理数据比较高，、而且端口比较多，可以处理多个任务。但是ＡＲＭ价格高，入门比较困难，熟练掌握比较困难，学习周期比较长，而且在旋转倒立摆工作过程中，处理的数据量不是很大，过多的IO口反而不利于控制。方案二：采用AT89S52单片机作为系统控制中心。51系列单片机是单片机中的经典,是8位单片机,具有32个I/O接口,虽然价格低廉、性能稳定、使用方便、外围电路成熟,但是内部资源相对较少,运行速度慢,功能较为单一，ROM空间不足。方案三：采用MSP430系列单片机作为系统控制中心。MSP430系列单片机是一个16位,具有精简指令集,低功耗的混合型单片机,功能相比51系列单片机要强大,运行速度要快,但内部结构比较复杂,它只能用在3.3V环境下,与一些5V器件相连需要考虑电平是否兼容的问题。综合以上分析，MSP430功耗小、运行速度快、内存大，更适合设计要求，所以选择方案三。1.2传感器的论证与选择方案一：精密变阻器。旋转臂和摆杆通过精密变阻器相连，电动机转动带动旋转臂运动，变阻器转轴改变，从而改变电压，送到主控芯片，通过相应运算转换，来控制摆杆摆动的角度。精密变阻器数据比较稳，易于控制，灵敏度也较高。方案二：角度传感器。它的身体中有一个孔，可以安装一个轴，轴没转动一次，角度传感器就会计数一次，往一个方向转时，计数增加，往相反方向转时，计数减少。角度传感器的精度不够高。综合以上分析，由于角度传感器不如精密传感器灵敏度高，且精密传感器阻值可选、线性度可选，精度较高，所以选择方案一。1.3电机的论证与选择方案一：采用步进电机，它是通过输入脉冲信号来进行控制的、电机的总转动角度由输入脉冲数决定、电机的转速由脉冲信号频率决定，，虽然其转动角度容易控制，但在转轴连接外部重物较重时步进电机容易失步现象，且工作时震动较大，不利于平衡。方案二：采用普通小型直流电机。普通直流电机，调速范围广，且易于平滑调节，起动、制动转矩大易于控制，可靠性高，转动灵敏且转速易于控制，调速时的能量损耗较小。综合以上分析，直流电机力矩大，易于调节，更适合于旋转倒立摆，所以选用方案二。1.4电机驱动的论证与选择方案一：采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单，成本低、易实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接，使得电路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降。电路如下图所示：图1-1大功率晶体管组合