简易旋转倒立摆及控制装置倒立排设计报告

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1、1题目及要求1.1题目：简易旋转倒立摆及控制装置图1-1旋转倒立摆结构示意图1.2要求1．基本要求（1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）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-60°~+60°；（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；（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°。2．发挥部分（1）从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋

2、转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立状态时间不少于10s；26（2）在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s内恢复倒立状态；（3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过角度达到或超过360°；（4）其他。2.方案选择与比较2.1方案比较1．控制系统方案的比较与选择方案方案一：采用大规模可编程逻辑器件。FPGA内部具有独立的I/O接口和逻辑单元，使用灵活，适用性强，且相对单片机来说，还有速度快，外围电路少，集成度高的特点，因此特别适用于复杂逻辑电路设计。但是

3、FPGA的成本偏高，算术运算能力不强，而且由于本设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现方案二：用模拟电路来产生电机的控制信号。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要500Hz(周期是2ms)的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用5mV以上的控制电压的变化就会引起电机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到电机的控制精度要求方案三：采用DSP

4、，DSP具有强大数据处理能力和高运行速度，且具有可编程性，需要模数转换,采样频率的限制，处理频率范围有限数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。虽然其优点远远超过缺点，但价格昂贵而且我们对其并不熟悉方案四：用单片机作为电机的控制单元。我们采用STM32F103RCT6，该款单片机资源丰富，16位的单片机使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高电机的转角精度单片机完成控制算法，再将计算结果转化为 PWM信号输出到电机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰

5、较小，整个系统工作可所以，综上方案的比较，控制系统选择方案四262．角度传感器的选择方案方案一：采用ADXL456三轴加速度作为角度传感器来获得X,Y,Z轴的加速度数据，利用X，Y轴加速度Tan（）函数算出夹角，通过算法计算出角度，从而控制摆杆角度。但因数据更新慢，无法正确反馈角度，当电机启动，摆杆摆动，切向方向有加速，影响X轴方向的加速度，数据从而无法精确控制摆的角度，而且受外界干扰比较大，所以放弃此方案。摇臂轴承减速电机摆杆三轴加速度传感器控制板图2-1三轴加速度计方案方案二：采用电位器作为角度传感器来测

6、角度，通过摆角不同从而电阻不同，通过AD测出电压值，角度与电压值呈线性关系。该方案线性好，数据更新快，实时反映角度，从而精确摆角。更适合比赛。摇臂角度传感器减速电机摆杆控制板图2-2角度传感器方案26鉴于上面分析，角度传感器采用方案二。3．电机选择方案方案一：采用舵机的缺点是不利于调节速度，扭力小，不利于摆动，所以放弃此方案。方案二:采用步进电机的优点是价格便宜，缺点是动态性能很差，扭力小，所以加速度小，而且有震动，放弃此方案。方案三：采用减速电机，具有永磁式和反应式的优点，扭力大，加速快，易于杆的摆动，适合

7、比赛要求基于上面分析，电机选择方案三。4．电机驱动选择方案方案一：LM298电机驱动控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路影响小。缺点功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重，驱动功率小，而本系统电机功率大，而且压降大，容易发热，影响驱动性能。方案二:场效应管电机驱动电路具有内阻极小、驱动功率大，开关速度快等诸多优点。并且加散热片很方便基于上面分析，电机驱动选择方案二263.1系统的整体设计矩阵键盘LCD显示器扫描显示信息模式信息主控芯片反馈控制角度传感器减速电机方向PWM改变旋转臂角度摆杆角度图3-

8、1系统整体图本系统主控芯片采用STM32F103RCT6单片机，通过场效应管电机驱动电路驱动减速电机。角度传感器采集摆杆角度反馈给主控芯片，电机闭环控制，实现系统稳定状态控制。本系统附加了矩阵键盘模式选择和LCD显示两个模块，实现控制模式选择和信息的实时显示。263.2单元模块的设计3.2.1单片机最小系统1.功能：单片机最小系统作为系统的控制中心，此次单片机采用STM32F103RCT6，本系统用