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1、12013 年全国大学生电子设计竞赛简易旋转倒立摆及控制装置(C 题)本科组2013年9月7日摘要：设计并制作了一个基于 PID 控制的倒立摆系统。选用低功耗单片机AT89C51、减速电机、电位器等器件，完成基本功能。以单片机控制减速电机转速，改变摆杆转角 ，并保证让摆杆在同一平面内做圆周运动，最终使摆杆达到倒立（在规定的-165至 165范围内）稳定状态。关键字：AT89C51单片机；减速电机；电位器Abstract： Designed and produced an inverted pendulum system based on PID control. Choose low powe
2、r single chip microcomputer AT89C51, gear motor, potentiometer, such as device, complete the basic functions. With single-chip microcomputer control deceleration motor speed, change the swinging rod Angle theta, and ensure that the swinging rod is circular motion in the same plane, eventually make t
3、he swinging rod upside down (in the rules - 165 to 165 ) steady state. Keywords: AT89C51、 Gear motor、 potentiometer2目 录 序.5前言.61系统方案 .7 1.1 系统结构 .81.2方案的比较和选择 . 10 31.2.1电机的论证与选择 . 101.2.2电机驱动的论证与选择.11 1.2.3速度控制. 12 2理论分析与计算.132.1电动机选型 . 13 2.2摆杆状态检测. 152.3驱动与控制算法 .19 3电路与程序设计 .233.1电路的设计 .233.1.1控制
4、部分用51单片机. 233.1.2硬件部分. 2443.1.3软件部分.243.1.4部分器件原理 . 253.2程序结构与设计. 264设计小结 .305参考资料 .325序倒立摆系统是理想的自动控制教学实验设备，使用它能全方位的满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系 统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通 过倒立摆直观的表现出来。倒立摆系统具有模块性好和品种多样化的优点，其基本模块既可是一维直线运动平台或旋转运动平台，也可以是两维运动平台。通过增加角度传感器和一节倒立摆杆，可构成直线单节 倒立摆、旋 转单节倒立 摆或两维单节倒立摆；通过增加两节倒立摆杆和相应的传
5、感器，则可构成两节直线倒立摆和两节旋转倒立摆。倒立摆的控制技巧和杂技运动员倒立平衡表演技巧有异曲同工之处，极富趣味性，学习自动控制课程的学生通过使用它来验证所学的控制理论和算法，加深对所学课程的理解。由于倒立摆系统机械结构简单、易于设计和制造，成本廉价，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成 为常见 的控制教学设备。同时由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多 变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象，并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法。因此，倒立摆系统也是进行控制理 论研究的理想平台。直线运动型倒立摆外形美观、紧凑、可靠性好。除了 为每个子系列提供模块化的实现方案
6、外，其控制系 统的软件平台采用开放式结构，使学生建立不同的模型，验证 不同的控制算法，供不同层次的学生进行实验 和研究。由于采用了运动控制器和伺服电机进行实时运动控制，以及齿型带传动，固高公司的倒立摆系统还是一个典型的机电一体化教学实验平台，可以用来进行各种电机拖动、定位和速度跟踪控制实验， 让学生理解和掌握机电一体化产品6的部件特征和系统集成方法。7前 言设计任务说明：我们小组研制的二级旋转式倒立摆系统，是一个典型的机电一体化系统，采用电位器和减速电机进行实时运动控制。二级旋转式倒立摆，及其功能扩展后的位置伺服系统。由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多 变量、非线性和 强耦合等特性，许多控制理
7、论的研究人员一直将它作为研究对象，并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法，相关的成果在航天科技和机器人学方面获得了广泛的应用。因此，倒立摆设备也是进行控制理论研究的理想平台。二级旋转式倒立摆系统可以方便地构成一个位置控制系统的被控对象，并配置由运算放大器组成的校正网络实验箱，构成位置控制系统进行经典控制理论（调节原理）的教学实验。也可用 VC+6.0 实现模拟 运算放大器校正网络的功能。通过微机配置的调节原理实验软件，在计算机上实现系统的稳定性、时域特性、频域特性分析和品质校正的实验。此外，配置计算机控制系统和控制系统计算机辅助设计等课程的相关软件，用于控制系统设计类课程的实验。综上所述，二级
8、旋转式倒立摆系统的系列产品是一个多功能的教学实验平台，有利于系统的小型化，控制更加快速，抗干扰性强，控制品质有很大提高，可用于多门课程的教学实验。简易旋转倒立摆及控制装置（C题）8【本科组】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。发挥部分：（1）从摆杆处于自然下
9、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1.系统方案本系统要求电机能够精确控制摆杆随旋转臂上的旋转编码器旋转的角度而转动，故使用电位器、步进电机、电机驱动模块、 单片机控制等模块实现符合题目要求的设计，下面分别论证对于这几个模块的选择。1.1 系统结构二级旋转式倒立摆系统由直流力矩电机直接驱动，能够独立执行实时控制9算法，脱离计算机直接运行；也可以通过 RS-2
10、32C 串行通讯接口用计算机控制，进行在线控制算法调试，是具有独立控制能力和标准通讯接口的专用智能实验设备。它的 DSP 部分、电源与电机驱动部分全部安装在机箱内，采用这样封闭式的结构，不易人为损坏。运动部分安装在机箱上，整体结构比较紧凑、合理。图 1 是系统的总体结构示意图。图 1、系统总体结构图系统的组成框图及工作原理如图 2 所示。图 2 系统框图10键盘 AT89C51 单片机 步进电机驱动器 步进电机旋转编码器 旋转臂图 3、机械结构图12 方案的比较与选择1.21 电机的论证与选择 方案一：直流电机。直流电机是定义输入为直流电能的旋转电机。加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电
11、刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁 转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。 这就是直流电动 机的基本工作原理。直流电机的优点：调速性能好， 调速范围广，易于平滑调节。启动，制动转矩大、易于快速启动、停止。然而直流 电机的缺点是不能精确的控制转角。 方案二：模拟舵机。11模拟舵机在空载时，没有动力被传到舵机马达。当有信号输入使舵机移动，或者舵机的摇臂受到外力的时候，舵机会作出反应，向舵机马达传动动力(电压)。这种动力实际上每秒传递 50 次，被调制成开/关脉冲的最大 电压，并产生小段小段的动力。当加大每一个脉冲的宽度的时候，如 电子
12、变速器的效能就会出现，直到最大的动力/电压被传送到马达，马达转动使舵机 摇臂指到一个新的位置。然后，当舵机电位器告诉电子部分它已经到达指定的位置，那么动力脉冲就会减小脉冲宽度，并使马达减速。直到没有任何动力输入，马 达完全停止。模拟舵机的“缺点”是：当给予一个短促的动力脉冲， 紧接着很长的停 顿，并不能给马达施加多少激励，使其转动。这意味着如果有一个比较小的控制 动作，舵机就会 发送很小的初始脉冲到马达。对于本题 中所需求的微小角度则不适合用模拟舵机控制。 方案三：行星减速步进电机。行星减速机具有高刚性，高精度(单级可做到 1 分以内)，高传动效率(单级在 97%-98%)，高的扭矩/体积比，
13、 终身免维护等特点。因为这些特点，行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配 惯量。 综合以上三种方案，选择方案一。1.2.2 电机驱动的论证与选择方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优 点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 方案二：采用集成电路驱动芯片 L298N，L298N 内含两个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，可驱动 46v,2A 以下电机,1 和 15 脚可单独引出接电流采样电阻器,形成电流传感信号，同时通过单片机控制产生 PWM 波，精确控制电机转速。这种电路驱动能力强，可以 简单地实现转速和方向的控制，稳定性高。12方案三：采用互补硅功率达林顿管 TIP142T 实现电 机的驱动,采用该方法电路连接比较简单，稳定性好，成本低廉，但
