倒立排设计报告.docx

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； （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，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，控制系统选择方案四2．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。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。图2-2 角度传感器方案鉴于上面分析，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，电机驱动选择方案二3.1 系统的整体设计模式信息方向PWM改变旋转臂角度摆杆角度图3-1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。3.2 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，本系统用到TIM1的定时中断，A/D转换。主要作用是：采集角度传感器数据，反馈闭环控制电机转动，检测矩阵键盘的键位，控制功能模式切换