基于自由摆平板控制系统方案.doc

基于自由摆的平板控制系统 摘 要： 本系统以为主控芯片，在自由摆摆动过程中，利用对摆臂倾角和平板倾角进行监控，通过对倾角传感器采集的模拟量进行转换并传送至，单片机通过相应的算法实现控制策略，产生相应的控制量，使步进电机转动，从而带动平板运动，达到目标运动状态。该系统是一个闭环的控制系统，数据处理中用到了离散型控制算法。 关键字： 自由摆 闭环控制 倾角传感器 目 录一、方案的设计和论证 1 1、控制器的选择 1 2、电机的选择 1 3、电机驱动的选择 1 4、角度测量方案 2 二、系统总体设计方案及实现方框 2 三、理论分析与计算 2 1、平板状态测量方法 2 2、建模与控制分析 2 2.1、重物的受力分析及控制思路 2 2.2、激光笔转角的确定 3 3、离散型PI控制的设计 4 四、主要功能电路的设计 4 1、传感器电路 4 2、滤波跟随器 5 3、电机驱动模块 5 4、采样模块 5 5、电源系统 5 五、系统软件的设计 5 1、软件的设计 5 2、软件流程图 6 六、测试数据与分析 6 1、使用仪器及型号 6 2、测试方案 6 3、测量数据 6 3.1、基础部分 6 3.2发挥部分 6 4、数据分析 6 八、附录 6 1、传感器电路 7 2、滤波跟随器 7 3、电机驱动模块 7 4、采样模块 8 5、电源模块 8 6、软件流程图 8  一、方案的设计和论证 根据题意可知，本系统是一个典型的闭环控制系统，组成模块有控制器、电机驱动、步进电机、检测模块，其整体结构如图一所示： 该动态自动平衡测试系统中，通过倾角传感器的反馈获得自由摆当前所处的角度位置，控制驱动模块实现实时读取传感器反馈的数据，通过处理器内部的控制算法实现控制策略（电机转动的方向、速度大小），产生相应的控制量，使电机转动，从而带动被控制对象运动，达到目标运动状态。 控制器的选择 方案一：采用51系列单片机，该类单片机的抗干扰能力较强，上手容易，应用比较广泛，但其I\O口比较有限，而系统的实现程序量较大，所需的I\O口资源较多，51单片机在这一点上难以胜任。 方案二：利用TI的单片机MSP430，该芯片集成了模拟电路、数字电路、微处理器，具有AD采样、比较器、产生PWM控制信号等功能。此外，MSP430有更充足的I/O口，可以很好的实现整个系统的控制。 综上分析，系统采用方案二。 2、电机的选择 方案一：使用舵机控制，该方案控制简单灵活，每一个脉冲便有一个方向角，舵机转动的角度和脉宽成比例，通过改变脉冲的宽度便可以灵活的控制舵机的转角，可操作性较好，且功耗较小。 方案二：采用步进电机。步进电机的速度易于控制，具有快速启/停能力，可在一刹那间实现启动或停止；它的转动角度严格可控，一般情况步距角可以降低到0.9度，步进电机延时短，定位准确，精度高，可控制性强。 由于题中有要求旋转360度，在这方面舵机无法实现，为了方便地对角度进行控制，这里系统采用步进电机。 3、电机驱动的选择 方案一：利用驱动专用芯片L298，L298是集成的桥式驱动电路，最大驱动电流可达到4A。该芯片使用时外围电路简单，控制方法十分方便。而且其驱动效果良好，配合L297可实现步进的精确控制。 方案二：使用细分芯片THB7128，该驱动芯片将L298、L297集成，并将电机的工作方式增设为八种，通过M1、M2、M3的选择来控制细分数，且该芯片具有发热量小的优点，最大细分可达128细分 。 由于L298芯片发热量大，若不注意散热及电路保护极容易烧毁，故不太稳定，为了达到精确的控制，且在电机运行过程中有较小的步进角而不产生失步，系统选用方案二作为步进电机的驱动模块。 4、角度测量方案 方案一：采用倾角传感器对角度进行测量，可以在水平单方向对的角度进行测量，该方案将传感器固定于摆杆上，摆杆运动时，则可实时对角度测量。 方案二：使用码盘，将码盘固定在摆杆的摆轴上，若其分辨率为，则码盘会在每度输出一个脉冲，且通过脉冲的相位比较可以判断码盘的转动方向，以最低点为起始位，则可判断摆杆当前的位置。 方案一中数据的采集需使用转换，方案二只需计数便可，且方案二的精确度和稳定性较高，但其安装难以实现，在范围内，是可以做到较精准的测试，综合考虑，采用方案一。 二、系统总体设计方案及实现方框 在该闭环控制系统中，倾角传感器对角度信息进行实时采集，形成反馈，通过信号调理和转换将反馈信号交由单片机处理，经算法处理后再形成输入信号，控制步进电机达到目标运动状态。键盘用于确定系统的工作状态，则是用于人机交换，系统结构方框图如下： 三、理论分析与计算 1、平板状态测量方法 为了检测平板的状态，系统在平板上也装有倾角传感器，但传感器测量静态角度时较稳定，当平板摆动时，因加速度的影响使得数据采集不可靠。启动瞬间