基于stm32微控制器的旋转倒立摆设计

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1、简易旋转倒立摆及控制装置摘要为了满足旋转倒立摆的控制，本系统采用了STM32微控制器为控制核心，采用模块化的设计方案。电机驱动模块采用了L298N作为电机驱动芯片，通过PWM波精确控制电机运转。采用编码器测量旋转角度，能对转轴的旋转作精确测量。程序设计方面采用了工业过程控制中广泛应用的PID控制器，使系统达到理想的稳态状态。测试结果表明，旋转臂能够带动摆杆完成题目中的各项要求。关键词：旋转倒立摆；STM32微控制器；TO1波；编码器AbstractInthesystem,STM32microcontrollerisusedasthecoretocontroltherotaryinvert

2、edpendulumwiththemodulardesign.L298N,outputtingPWMtocontrolthemotorprecisely,isthemotordriverchipinthemodularofmotordriveandtheangleoftherotationaxiscanbeaccuratelyobtainedbytheangleencoder.Tnordertoenhancetherobustnessofthesystem,PID,widelyusedinindustrialprocesscontrol,isappliedinthesystem.Itis

3、shownthattherequirementsofcompetitionhavebeencloneexcellently.Keywords:Rotaryinvertedpendulum；STM32microcontrollers;PWMwave;ENC基于STM32微控制器的旋转倒立摆设计1系统方案论证与比较本方案采用双系统模式，由信号采集系统和控制系统组成，两个系统之间由无线模块进行通信。整个方案还包括旋转角度检测模块、电机驱动模块、LCD动态跟踪显示摆杆模块、电源模块等部分，下面分别论证这几个模块的选择。1.1角度检测方案的论证与选择方案一：采用陀螺仪测量摆杆旋转的角度。陀螺仪是通

4、过测量角速度，然后积分得出角度。只有精度高的优点，但是硬件安装和信号处理方面稍复杂。方案二：采用编码器测量旋转角度。它的优点是原理构造简单，抗干扰能力强，可靠性高。从系统稳定性的角度考虑，优先选择方案二。1.2电机驱动模块的论证与选择方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。方案二:采用L298N驱动直流电机，基于L298N芯片的PWM控制系统模块，让电机其有调速的功能，电机能完成调速、转向功能。从系统模块设计角度考虑，优先选择方案二。1.3无线模块的论证与选择方案一：采用HRF24L01无线模块，是

5、一款工业级内置硬件链路层协议的低成本无线收发器，可直接与单片机I/O连接，外接元件数目少。HRF24L01功耗低，有多种低功率工作模式（掉电和空闲模式）更利于节能设计方案二：wifi无线方案，wifi无线技术具有快速传输的最火优点。但是配置比较复杂，且对硬件要求比较高，而且成本相对较高。从系统成木和低碳设计的角度考虑，优先选择方案一。2系统理论分析与计算2.1控制方式倒立摆系统是一个非线性自然不稳定系统，是对重心在上、支点在下的控制问题的抽象，也是进行控制理论教学及幵展各种控制实验的理想实骑平台.许多抽象的控制问题如控制系统的稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立

6、摆系统直观的表现出来。系统由单片机、倒立摆装置和光光租编码器组成了一个闭环系统，光电码盘将摆杆的角位移反馈给单片机，单片机产生相应的控制量，驱动电机转动，使摆杆保持平衡.2.2旋转角度计算选用了欧姆龙的E6B2光电编码器，P/R(P—pulse脉冲，R—ring圈，P/R为多少个脉冲每圈)值为1000。通过捕捉编码器输出的脉冲信号即可以计算出摆杆旋转的角度。3=n*1000/360n为捕捉到的脉冲数2.3PID控制器设计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，控制理论的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控制技术最为方便

7、。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、微分计算。PID控制器是一种线性控制器，假设系统的给定值为r(t),实际输出值为y(t)，根据给定值额输出值构成控制偏差：e(O=r(r)-y⑴pid的控制规律为：u(?)=Kp[e(t)+—Ce(t)dt+TdUll]TiJodt写成传递函数的形式：G(s)=T7T=卽(1