倒立摆(必威体育精装版整理版).docVIP

简易旋转倒立摆及控制装置

摘要

倒立摆是理想的自动控制理论研究实验平台，许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观地表现出来。因此，对倒立摆的控制研究不仅具有理论意义而且具有实际意义。本装置就以简易旋转倒立摆为研究对象，建立了简易旋转倒立摆的物理模型。

Abstract:Invertedpendulumisanidealexperimentalplatformofautomaticcontroltheoryresearch,manyabstractconceptssuchasthecontrolofsystemstability,controllable,anti-interferenceability,etc.,canbedisplayedvisuallythroughtheinvertedpendulum.Therefore,researchonthecontroloftheinvertedpendulumnotonlyhastheoreticalsignificanceandpracticalsignificance.Thisdeviceissimpleandrotationalinvertedpendulumastheresearchobject,establishedthesimplephysicalmodelofrotationalinvertedpendulum.

系统方案

系统结构

简易旋转倒立摆包括摆杆,电机、传动部件、支架及其控制系统，摆杆通过传动部件与电机轴相连；传动部件为一刚性旋臂，其一端与电机轴固接、另一端与摆杆铰接，电机轴为水平方向，旋臂和摆杆的回转面均为竖直方向。该装置主要由转轴电机、旋转臂及摆杆三部分构成，

方案比较与选择

测量角度的传感器选择

加速度传感器

角速度传感器

光电编码器

本装置使用的传感器——MPU6050角速度传感器

单片机的选择

AT单片机

AT系列51单片机是USA的产品，品种单一，功能少，运行速度慢，RAM/ROM小，性能还不够稳定；而且AT系列单片机一般用下载器进行烧写程序，理论上可以直接用单片机的几根I/O口接并口线，但如果电路板没做好，可能会连带把计算机并口烧坏，因此AT系列单片机无法完成我们设计的要求。

STC系列12C5A60S2

STC系列单片机功能多，运行速度高，RAM/ROM大，性能稳定，低功耗，可以有效的抵抗静电和干扰，并且使用串口进行烧写程序，用单片机的P3.0和P3.1两个口接MAX232芯片即可。故应用STC系列12C5A60S2这个电路设计相对比较简单，

驱动电路的选择

全桥电路驱动

半桥电路驱动

本装置使用的驱动电路——步进电机驱动

电机的选择

方案一：选用直流电机

直流电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，只要加上合适的电压就会旋转，而且转得圈数和角度难以精确控制，无法记录转子旋转的脉冲数以及转轴所转的角度，以致无法控制轻杆所转的角度，进而无法实现要求。用直流电机，若要完成要求需要加一个编码器进行计数，那样将导致设计理念复杂化。

方案二：伺服电机

方案三：选用步进电机

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，按照节拍工作，可以旋转极小的角度并按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行，故适合本设计中单片机的控制。而步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，可以比较精确的控制电机的运行状态，并容易获得每一步走的距离,并可以计算时间,速度以及加速度。所以，本设计选用方案二更易于实现。

图1?四相步进电机步进示意图?

步序

相序

通电相

对应PB口的输出值

（状态字）

PB13

PB12

PB11

PB10

1

0

0

0

1

A

01H

2

0

0

1

1

AB

03H

3

0

0

1

0

B

02H

4

0

1

1

0

BC

06H

5

0

1

0

0

C

04H

6

1

1

0

0

CD

0CH

7

1

0

0

0

D

08H

8

1

0

0

1

DA

09H

步进电机四相八拍相序