简易旋转倒立摆及控制装置-电子设计大赛论文.doc

2013年全国大学生电子设计大赛论文 C题简易旋转倒立摆及控制装置 【本科组】 2013/9/4 目录 摘要.......................................................................................................2 1.系统方案…………………………………………………………….2 系统硬件结构设计......................................................................2 （1）直流减速电机…………………………………………………2 （2）编码器…………………………………………………………3 1.2系统整体设计…………………………………………………3 2. 系统设计与论证………………………………................................3 2.1 微型控制器的选择……………………………………………3 2.2 倒立摆框架的选择设计………………………………………5 3. 系统硬件电路设计………………………………………………...5 3.1供电系统………………………………………………………..5 3.2角度传感器的设计…………………………………………….5 3.3电机及其驱动芯片的选择与电路设计……………………….6 4. 电路测试方法及测试结果…………………………………………7 4.1 一阶倒立摆的PID控制实验…………………………………7 5 讨论………………………………………………………………….8 6 参考文献……………………………………………………………..9 7 附录一 元器件清单……………………............................................9 8 附录二 部分源程序代码…………………………………………..10 摘要 本题设计一个简易旋转倒立摆及控制装置，系统以 IAP15F2K61S2 芯片为控制核心，采用单片机、直流驱动器、直流减速电机、编码器、倒立摆装置等部分组成了一个闭环系统，通过PID调节实现对一阶倒立摆的控制，使倒立摆这样一个不稳定的被控对象通过引入适当的控制策略使之成为一个能满足各种性能指标的稳定系统。检测角度的编码器将输入给它的角度量利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，并将该信号反馈给单片机，单片机接收到该信号后对该信号进行分析通过程序对倒立摆装置产生控制。 关键字 芯片、编码器、反馈、PID控制 系统方案 系统硬件结构设计 将直流减速电机固定在木制支架上， 图示：系统硬件基本构成 并将旋转臂通过螺丝固定在电机转轴上，在旋转臂的一端将摆杆通过转轴固定在旋转轴上，其他如开关、稳压模块、驱动模块等合理布置在支架上，启动电动机后，旋转臂在电动机的驱动下做往复旋转运动，带动摆杆在垂直于旋转臂的平面做自由旋转，通过软件来控制摆杆的运动状态。 1）直流减速电机 该电机型号为：德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012。 工作电压：12伏。 空载转速：8100转/分钟 。减速后速：120转/分钟。 输出功率：17W。 扭矩 ：大扭矩（1.72Nm）。 图示：直流减速电机 减速比：64:1。 编码器：光电式。该电动机的突出优点是能在很大的范围内具有平滑平稳的调速性能工作电压: 12V 空载转速：8100RPM（转每分钟） 减速后速：120RPM（转每分钟） 直????　径：30mm 电机长度：42mm 总共长度：85mm 出轴直径：6mm 出轴长度：35mm 输出功率：17W 扭　　矩：大扭矩( 1.72Nm) 空载电流：75mA 堵转电流：1400mA 减速箱型号：日本定制（全金属精密行星减速箱） 减速比：64：1 编码器：光电式 输出路数：ＡＢ双路输出 每圈脉冲：12CPR（脉冲每圈）［可以改装其他高分辨率的光电编码器 型????号：德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012? 12V每分 钟 120转 型????号：德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012? 12V每分 钟 120转 L298N，保证了驱动的可靠性和精确性。 图示：系统整体 2.系统设计与论证 2.1 微型控制器的选择 控制器的设计是倒立摆系统的核心内容，因为倒立摆是一个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并可以承受一定的干扰，需要给系统设计控制器，目前典型的控制器设计理论有：PID控制、根轨迹