倒立小车设计与实现.doc

自动控制原理 倒立小车的设计与实现 目录 一、倒立小车设计方案 5 1.1任务 5 1.2 过程方案 5 二、系统设计 5 2.1硬件电路设计 5 2.2 车模组装 10 三、理论分析 11 3.1倒立小车系统平衡控制分析 11 3、2倒立小车系统建模及控制分析 11 四、设备元器件选型 21 4.1 K60单片机系统 21 4.1.1 K60处理器简介 21 4.2电源驱动电路设计 23 4.3 双电机驱动模块 24 4.3.1 模块特性 25 4.3.2 接口说明 25 4.3.3 电机驱动模块原理图 25 4.3.4 3.3V辅助电源 26 4.3.5电机隔离电路 26 4.3.6 插接件引脚定义图 26 4.4 landzo飞思卡尔智能车3轴3ENC-03陀螺仪+3轴模拟加速度传感器MMA7361介绍 27 4.4.1 模块特性 27 4.4.2 模块结构说明 27 4.4.3 模块使用方法 28 一、倒立小车设计要求 1.1任务： 设计并制作一个倒立小车控制系统，其外形结构如图1所示，要求系统可由两个后轮驱动进行自平衡（基本要求）。维持小车自平衡的动力都来自于小车的两个后车轮，两个后轮由两个直流电机驱动其转动。小车的倾角和倾角速度可以通过安装在小车上的加速度传感器和陀螺仪实现。 图1 倒立小车控制系统外形结构 1.2 过程方案 (1)建立被控对象数学模型； (2)控制系统的理论设计； (3)小车电路设计； (4)小车的系统搭建； (5)小车自平衡程序设计； (6)完成小车的自平衡控制调试。 二、系统设计 2.1硬件电路设计 2.1.1整体电路框图 设计车模控制系统的电路，首先需要分析系统的输入、输出信号，然后选择合适的核心控制嵌入式计算机（单片机），逐步设计各个电路子模块，最后形成完整的控制电路。 系统的输入输出包括： （1）AD转换接口 陀螺仪：(2路)一路用于检测车模倾斜角速度，一路用于检测车模转动角速度。 加速度计:(1路)测量加速度Z轴输出电压。 （2）PWM接口（4路） 控制左右两个电极双方向运行。由于采用单极性ＰＷＭ驱动，需要四路PWM接口。 （3）定时器接口（2路） 测量两个电机转速，需要两个定时器脉冲输入端口。 （4）通讯接口（备用） SCI（UART）：一路，用于程序下载和调试接口； I2C：（备用）如果选择飞思卡尔公司的数字加速度计，可以通过I2C接口直接读取加速度值。 2.1.2 倾角传感器电路 车模倾角传感器电路主要是将陀螺仪传感器信号进行放大滤波，由于加速度传感器是低g值传感器MMA7260，它的输出信号很大不需要放大。电路图如图16所示。 图16 陀螺仪、加速度传感器电路 上图中，将陀螺仪的输出信号放大了10倍左右，并将零点偏置电压调整到工作电源的一半（1.65V）左右。放大倍数需要根据选取的传感器输出灵敏度设计，可以选择5至10倍范围都可以满足车模控制需要。 2.1.3 角速度计算电路 本次车模角度和角速度测量是通过陀螺仪和加速度传感器来实现。 通过对角速度信号进行积分便可以得到车模的角度。为了抑制角速度信号的漂移以及积分电路的漂移，需要根据加速度传感器给出的Z轴信号进行角度信号矫正。 图21 角速度信号处理电路 该电路包括角度积分以及重力加速度补偿电路两部分。调节电位器P1大小可以改变角速度的比例系数。P1越大，角速度比例值越小；P1越小，角速度比例值越大。通过调节P1使得角度输出可以很好的跟踪加速度传感器Z轴信号输出。 2.1.4 电机驱动电路 由于车模具有两个后轮驱动电机，因此需要两组电机驱动桥电路，图17选用了两片飞思卡尔公司专用的电机驱动芯片33886组成电机驱动电路。 图17 双电机驱动电路 图3- 7中的DSC F8013是3.3V器件，它的IO输出电压最高位3.3V，达不到33886对于高电平必须大于3.5V的要求，所以在电路中专门设计了5V电源，将33886的驱动信号上拉至5V。由于F8013的IO端口可以容忍5V电压，所以上面的电路便可以使得33886的驱动信号电压达到5V。为了提高电源的应用效率，驱动电机的PWM波形采用了单极性的驱动方式。也就是在一个PWM周期内，施加在电机上的电压是一种电压，如图18所示。 因此每一路电机为了能够实现正反转，都需要两个PWM信号，两个电机共需要4路PWM信号，为了防止电机输出电流对于电源的冲击，在电路板的电源输入（7.2V）端口并联了一个1000微法的电容。 2.1