简易旋转倒立摆及控制装置-文章-电子竞赛-控制类

简易旋转倒立摆及控制装置

时间:07-30 16:11 阅读:2210次

*温馨提示：点击图片可以放大观看高清大图

简介：本文介绍旋转倒立摆及控制装置的设计与制作，系统以MSP430G2553为主控、导电塑料电位器检测摆角、通过步进电机实现旋臂控制从而达到摆杆倒立。根据旋转倒立摆的数学模型分析，确定了摆杆角度和旋臂旋转之间的PID控制算法，并在实验中优化控制参数。经反复试验，证明系统部分实现了题目的设计要求。

1、总体设计方案

1.1、系统总体设计

本系统硬件包括主控芯片、导电塑料电位器、步进电机、摆杆、旋臂及支架，设计总体框图如图。该系统采用MSP430LaunchPad开发版做为主控模块，MSP430G2553单片机自带10位ADC。角度传感器（导电塑料电电位器）将采集到的模拟信号送到单片机进行AD转换与处理，进而判断摆杆的偏摆方向和角度，经过计算后输出相应控制信号给电机驱动器，控制步进电机正反转和转速变化，从而达到使摆杆保持倒立。

1.2、方案比较与选择

1）主控芯片的比较与选择

方案一：采用入门级51或者AVR、PIC等流行已久的8位MCU作主控。

价格低廉，资料众多。功能有限，计算能力有限。

方案二：采用MSP430系列的MSP430G2553

简易旋转倒立摆系统要求处理器具有足够的内存、闪存，快速的信号采集能力，因此我们选用手头现有的MSP430LaunchPad板，集成仿真器，方便软件仿真调试，板上为MSP430G2553单片机，该单片机超低功耗，运算速度快，性价比高。

2）电机的比较与选择

方案一：采用直流伺服电机作为执行元件。

优良的调速特性，调速平滑、方便、调整方位宽；过载能力强，。直流伺服电机工作在闭环状态时相对于开环状态要增加很多检测元件，使电路复杂，最重要的是直流伺服电机价格昂贵，成本太高。

方案二：采用步进电机作为执行元件。

步进电机具有快速启停能力，而且步进电机的转动角度可开环控制，可省去电机转动角度的检测电路，但步进电机存在转动时震动较大，为减小震动，我们采用细分驱动器驱动步进电机，使电机转动平稳。

因此我们选用42系列大扭力电机。

3）角度传感器的比较与选择

方案一：采用凌阳公司的MXD2020EL传感器。在正常工作下，传感器将测到的倾角直接转换为占空比不同的频率输出。

方案二：采用SCA60C传感器。该传感器抗干扰能力强，低功耗，输出信号为0.5V-4.5V的模拟电压。

方案三：采用精密可调电位器。采集其可调断随摆杆摆动时的输出的电压，经过AD模数转换变为数字信号后交给单片机处理。

以上三种传感器，MXD2020E和SCA60C都相对容易控制和计算，但他们的测量精度不够高，反应速度不够快，无法满足设计的需求。考虑到模型制作条件极其简陋，摆轴的制作及于传感器连接困难，所以选取用导电塑料电位器作为角度传感器，采集模拟信号再转换成数字信号测量的方法，且直接用传感器转轴做为摆轴，模型制作简单，故选用WWD35D4导电塑料电位器作为角度传感器。

4）控制算法

方案一：PID算法PID算法是在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象一阶滞后+纯滞后与二阶滞后+纯滞后的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD）。

方案二：LQR算法LQR (linear quadratic regulator)即线性二次型调节器 ,其对象是现代控制理论中以状态空间形式给出的线性系统 ,而目标函数为对象状态和控制输入的二次型函数。LQR最优设计是指设计出的状态反馈控制器 K要使二次型目标函数J 取最小值,而 K由权矩阵Q 与 R 唯一决定,故此 Q、R的选择尤为重要。LQR理论是现代控制理论中发展最早也最为成熟的一种状态空间设计法。特别可贵的是 ,LQR可得到状态线性反馈的最优控制规律 ,易于构成闭环最优控制。而且MATLAB的应用为LQR 理论仿真提供了条件 ,更为我们实现稳、准、快的控制目标提供了方便。

基于上述理论分析，我们选择方案一。

2、理论分析计算

2.1、电动机选型

在两个自由度下，电机的力矩较大，故采用42BYGH810步进电机。

2.2、摆杆状态检测

在本设计中，摆杆的角度测量所用的的部件是导电塑料电位器和AD转换芯片。可调电位器固定宇旋臂上，其可调轴与摆杆上端固定，可随摆杆的摆动而转动，其可调端输出电压也会随之而变化。将电位器可调端的输出变化电压输入到AD芯片，即可得到一系列变化的数字信号，通过与中心自由下垂处的电压信号判断摆杆向哪个方向摆动及摆动的度数。

2.3、电机驱动模块选型

本系统电机驱动采用XZLZM20A步进电机驱动模块，该模块使用平均电流控制，两项正弦电流驱动输出；供电范围为12~36V,调控范围大;有高速光电隔离信号输入接口；有过压、欠压、过流、短路等保护功能；它的衰减模式可调，更好的适应我们的电机；启动转速高，高速力矩大；该模块尺寸为：4.5cm*7.0cm*1.6cm，大小合适，容易使用。

2.4、控制算法

PID算法是比例微分、积分、控制器控制的过程。其模型如图所示。

(1) 比例调节 P

比例系数 Kp 的大小决定了比例调节器调节的快慢程度，但Kp过大会使控制系统出现超调或振荡现象 Kp过小又起不到调节作用比例控制无法消除余差。

(2) 积分调节 I

积分作用可消除余差，积分常数 Ti 的大小决定了积分作用强弱程度，积分作用通常使系统的稳定性下降。因此，积分常数 Ti 大小的选择要得当。

(3) 微分调节 D

当偏差 e 瞬间波动过快时，微分调节器会立即产生响应，来抑制偏差的变化，使系统更趋于稳定，改善了系统的动态性能。

3硬件电路与程序设计

3.1、电源电路

采用SDD-100开关电源，交流输入：220V±20%，直流输出5V/13A、12V/2A、-5V/1A、-12V/1A。

3.2、键盘电路

采用MSP430LaunchPad板上自带的一个独立按键。

3.3、电机驱动电路

电机驱动模块采用M415B，该细分型高性能步进电机驱动器,适合驱动任何中小型1.5A相电流以下两相或四相混合式步进电机。由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的速度和功率。M415B的细分功能使步进电机运转精度提高1-64倍。每秒两万次的斩波频率，可以消除驱动器中的斩波噪声。另一特有的功能是静止自动减流：当电机处于停止状态时，输出电流可自动降至较低值，从而减少电机和驱动器的发热。