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1、摘要本文介绍了以 AVR mega328P 单片机为控制核心，通过编码器得到系统变量，应用 PID 控制算法，步进电机调速对环形倒立摆进行控制，实现了倒立摆在一定的角度范围 内动态倒立以及圆周运动。同时可以通过键盘设定运行模式并且读出系统当前状态，具 有较好人机界面。经测试，本系统完成了题目所要求的各项基本指标，并达到了全部的 发挥部分要求。关键词：AVR mega328P环形倒立摆PIDAbstractThis paper introduces the AVR mega328P microcontroller core, obtained by the encoder system vari
2、ables, the application of PID control algorithm, the stepper motor speed on the annular inverted pendulum control, to achieve the inverted pendulum in a certain range of angles and circular motion dynamic inverted . You can also set the operating mode via the keyboard and read the current state of t
3、he system and has good man-machine interface. After testing, the system completed all the required questions basic indicators, and reached all play a part requirements.Keywords: AVR mega328P annular inverted pendulum PID目录第一章 系统方案论证与选择 11.1 系统结构 11.2 方案比较与选择 11.2.1 芯片控制模块 11.2.2 电机选择 21.2.3 电动机驱动调速模
4、块 21.2.4 编码器选择 31.2.5 显示方案选择 3第二章 理论分析与计算 42.1 电动机选型 42.2 摆杆状态检测 52.3 驱动与控制算法 72.3.1 驱动 72.3.2 控制算法 8第三章 机械与电路及程序设计 93.1 机械设计 93.1.1 旋转臂杆与摆杆 93.2 电路设计 93.2.1 电源电路设计 93.2.2 电机驱动电路设计 103.2.3 键盘显示电路设计 103.3 程序结构设计 12第四章 测试结果与分析15第五章 参考文献17附录 A 主要元器件明细表 18附录 B 电路原理图 19附录C 电路PCB图及实物图20附录 D 系统设计程序代码23第一章
5、系统方案论证与选择1.1 系统结构整个系统分为系统模块、编码器模块、电机驱动模块、电机模块、电源模块、键 盘模块、显示模块。各模块的系统框图如图 1.1 所示。图1.1系统框图1.2 方案比较与选择1.2.1 芯片控制模块方案一：采用传统的 51 系列单片机。传统的 51 单片机为 8 位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少， 存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计 时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。方案二: 采用 AVR mega328P 单片机AVR mega328P 单片机，具有功能强大、效率高的指令系统，以及高性能模拟技术及
6、 丰富的外围模块。方便高效的开发环境使操作更加简便，低功耗是其它类单片机难以比 拟的，集成度较高，编程相对简单。综上，选择了性能跟好的 AVR mega328P 单片机。1.2.2 电机选择方案一：普通直流伺服电机普通直流伺服电机有价格低使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要 求控制精度高速度快，直流电机则不能满足要求。方案二：减速电机 减速电机克服了普通直流电机扭矩小的缺点，而且价格较低，但其可控性不太好， 难以精确控制，不易倒立。方案三：步进电机 步进电机具有转角精确可控的优点，速度和转角都能控制，适用于精确控制系统。只是价格稍高。 为保证稳定可靠，选用方案三。1.2.3 电动机
7、驱动调速模块方案一 采用芯片 L298 驱动电机，用单片机控制 L298 的输入使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转 速。 电子开关的速度很快， 稳定性也极强。 但驱动电流小，无法驱动更大功率的电 机，限制了其应用范围。方案二：采用自搭接的 H 桥电路选用大功率达林顿管或场效应管自制 H 桥电路，电路原理简单，具有高效，低功率 等特点，但是性能不够稳定，电路调试复杂。方案三：采用 TB6560 电机驱动芯片TB6560内部集成双全桥MOSFET驱动，耐高压，电流输出大，精度高，内置温度保 护芯片，具有过流保护。TB6560 电机驱动芯片更符合本系统需求，所以选择方案三。1.2.4
8、编码器选择方案一：增量型编码器 增量型编码器存在零点累计误差，抗抖动性差，判断转向困难，断电数据丢失，耗 大量单片机资源等缺点。方案二：绝对式编码器 绝对式编码器分辨率高、抗扰性好、体积小巧、重量轻、抗抖动性好、节省更多处 理器资源。此外，绝对式编码器在断电期间也能准确检测旋转角度偏移量。综合以上两种方案选择，本系统选择 Mini1024J 绝对式编码器。1.2.5 显示方案选择 方案一：电压和电流的显示可以用数码管，但数码管的只能显示简单的数字，其电 路复杂，占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。方案二：采用 12864B 液晶显示器显示采用屏幕液晶显示器 12864B 进行显示，功耗
9、低，分辨率高，抗干扰性能力强，可视面 积大。此外 12864B 与单片机可直接连接，电路设计及连接简单。综上分析，选择方案二。第二章 理论分析与计算2.1 电动机选型 步进电机在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和 脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速 度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。（1）步距角：步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。3600 二bM * Z * C（式 1）式1中：M为定子相数,Z为转子齿数
10、,c为通电方式：C=1单相轮流通电、双相轮流通电 方式, C=2 单、双相轮流通电方式。（2）扭矩与转速关系 转矩：使机械元件转动的力矩称为转动力矩，简称转矩。机械元件在转矩作用下都 会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。扭矩公式：T=9550P/n, T是扭矩，单位N.m, P是输出功率，单位KW, N是电机转 速，单位r/min。具体的推导关系如下： 功率二力*速度即：P=F*V（式 2） 转矩二扭力*作用半径即：T=F*R（式 3）通过上式，可以推导f=t/r（式 4） 线速度（V）=2n R*每秒转速（n秒）=2n R*每分转速（n分）/60二n R*n分/30将式3、4代入
11、式1得：aP=F*V=（T/R ）*（n R*n 分/30） =（n /30） *T*n 分（式 5）P二功率单位W，T二转矩单位Nm，n分二每分钟转速单位转/分钟如果将P的单位换成KW，那么就是如下公式：P*1000二n /30*T*n30000/n *P=T*n30000/3.1415926*P=T*n9549.297*P=T*n2.2 摆杆状态检测忽略各种摩擦力、空气阻力，将环形倒立摆系统抽象成水平杆和匀质摆杆组成的刚 体系统。环形倒立摆的结构如图所示：o图2.2环形倒立摆结构图0为水平杆与x轴的夹角，9为摆杆与垂直方向的夹角 o1表 1 环形倒立摆物理参数水平杆的质量m00.308kg
12、水平杆绕端点的转动惯量J00.004 kg 严摆杆的质量m10.1323 kg摆杆绕质心的转动惯量J10.0115 kg 严水平杆的长度L00.2535 m摆杆质心到转轴的距离l10.2433 m（1）旋转级倒立摆系统的动能 T:T=+Tmm01其中，T为摆杆的动能、T为水平杆的动能。m1倒立摆水平杆的动能：m0dT=1 dlm2 2l i1dx 丫 ( dy 丫 Idt丿I dt丿I dt丿Tm0 = 2JOe 2在距系统摆杆转动中心距离1处取一小段距离dl,这一小段的坐标如下：x二LcoSe lsire sine0001y=l sine +icose sine（式 9）0001z=icos
13、e过一小段的动能：倒立摆系统摆杆的动能：T = f 2lidT所以总动能为：T=+Tm1ije 2 + f 2lidT2 0 0 0（2）旋转一级倒立摆系统的势能 T:以水平杆所在的水平面为零势能面，则系统的势能V即为摆杆的重力势能:= Vm1= m1gl1cose1（式 13）2.3 驱动与控制算法2.3.1 驱动TB6560 是低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片。其主要特点有：内部集 成双全桥MOSFET驱动；最高耐压40 V,单相输出最大电流3.5 A(峰值)，具有整步、1 /2、1/8、1/16细分方式，内置温度保护芯片，温度大于150C时自动断开所有输出， 具有过流保护。VMB
14、、 VMA 为步进电机驱动电源引脚，应接入瓷片去耦电容和电解电容稳压。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引脚分别为电机2相输出接口，由于内部集成了续流 二极管，这4个输出口不用像东芝公司的8435驱动芯片那样外接二极管，从而极大地 减小电路板的布线空间。NFA、NFB分别为电机A、B相最大驱动电流定义引脚，最大电 流计算公式为IOUT(A)=O.5(V) /RNF(Q )，若预先定义电机每相的最大驱动电流为2.5 A，取 RNF=0.2 Q，则PGNDA、PGNDB、SGND分别为电机A、B相驱动引脚地和逻辑电源 地。逻辑控制电路电源为 5 V， VDD 为逻辑电源引脚，应
15、接入去耦电容和旁路电容减小 干扰噪声； M0、 PROTECT 为工作状态和过流保护指示灯； RESET 为芯片复位脚，低电平 有效；OSC所接电容的大小决定了斩波器频率，推荐1001 000 pF，斩波频率为400 44 kHz； M2、 M1 为细分设置引脚，外接拨码开关可设定不同的细分值，如整步、半步、 1/8细分、 1/16细分。由于步进电机在低频工作时，有振动大、噪声大的缺点，需要 细分解决。为尽可能减小电机发熟，需要TB6560的TQ2和TQ1引脚电平在电机工作时设置为 电流输出最大，在电机不工作时电流减半甚至更小，故称为“自动半流电路”。用NFA、 NFB定义最大输出电流后，通过TQ2和TQ1设置电流比率输出，设为00、01、10、11 时，输出的电流分别为最大电流的 100、 75、 50、 25。改变电机的驱动电流， 也就改变了电机
