《基于STM32微控制器的旋转倒立摆设计(10页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于STM32微控制器的旋转倒立摆设计(10页).doc（9页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、-基于STM32微控制器的旋转倒立摆设计-第 8 页简易旋转倒立摆及控制装置摘 要 为了满足旋转倒立摆的控制，本系统采用了STM32微控制器为控制核心，采用模块化的设计方案。电机驱动模块采用了L298N作为电机驱动芯片，通过PWM波精确控制电机运转。采用编码器测量旋转角度，能对转轴的旋转作精确测量。程序设计方面采用了工业过程控制中广泛应用的PID控制器，使系统达到理想的稳态状态。测试结果表明，旋转臂能够带动摆杆完成题目中的各项要求。关键词：旋转倒立摆；STM32微控制器；PWM波；编码器AbstractIn the system, STM32 microcontroller is used a
2、s the core to control the rotary inverted pendulum with the modular design. L298N, outputting PWM to control the motor precisely, is the motor driver chip in the modular of motor drive and the angle of the rotation axis can be accurately obtained by the angle encoder. In order to enhance the robustn
3、ess of the system, PID, widely used in industrial process control, is applied in the system. It is shown that therequirements of competition havebeen done excellently.Keywords: Rotary inverted pendulum ；STM32 microcontrollers; PWM wave; ENC基于STM32微控制器的旋转倒立摆设计1系统方案论证与比较本方案采用双系统模式，由信号采集系统和控制系统组成，两个系统之
4、间由无线模块进行通信。整个方案还包括旋转角度检测模块、电机驱动模块、LCD动态跟踪显示摆杆模块、电源模块等部分，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 角度检测方案的论证与选择方案一：采用陀螺仪测量摆杆旋转的角度。陀螺仪是通过测量角速度，然后积分得出角度。具有精度高的优点，但是硬件安装和信号处理方面稍复杂。方案二：采用编码器测量旋转角度。它的优点是原理构造简单，抗干扰能力强，可靠性高。从系统稳定性的角度考虑，优先选择方案二。1.2电机驱动模块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。 这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。方案二：采用
5、L298N驱动直流电机，基于L298N芯片的PWM控制系统模块，让电机具有调速的功能，电机能完成调速、转向功能。从系统模块设计角度考虑，优先选择方案二。1.3无线模块的论证与选择方案一：采用nRF24L01无线模块，是一款工业级内置硬件链路层协议的低成本无线收发器，可直接与单片机IO连接，外接元件数目少。nRF24L01功耗低，有多种低功率工作模式(掉电和空闲模式)更利于节能设计方案二：wifi无线方案，wifi无线技术具有快速传输的最大优点。但是配置比较复杂，且对硬件要求比较高，而且成本相对较高。从系统成本和低碳设计的角度考虑，优先选择方案一。2系统理论分析与计算2.1控制方式 倒立摆系统是
6、一个非线性自然不稳定系统，是对重心在上、支点在下的控制问题的抽象，也是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台许多抽象的控制问题如控制系统的稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。系统由单片机、倒立摆装置和光光电编码器组成了一个闭环系统，光电码盘将摆杆的角位移反馈给单片机，单片机产生相应的控制量，驱动电机转动，使摆杆保持平衡2.2 旋转角度计算 选用了欧姆龙的E6B2光电编码器，P/R(P一pulse脉冲，R-ring圈, P/R为多少个脉冲每圈)值为1000。通过捕捉编码器输出的脉冲信号即可以计算出摆杆旋转的角度。 = n*1000/360
7、 n为捕捉到的脉冲数2.3 PID控制器设计当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即使当我们不完全了解一个系统和被控对象，或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，也适合采用PID 控制技术。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算。PID控制器是一种线性控制器，假设系统的给定值为r(t)，实际输出值为y(t)，根据给定值额输出值构成控制偏差：PID的控制规律为：写成传递函数的形式：式中，是比例系数，是积分时间常数，是微分时间常数。PID
8、控制器各校正环节的作用如下： （1）比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用，以减小偏差。 （2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取 决于积分时间常数乃，Z越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减少调节时间。在该旋转倒立摆系统中，PID各个参数通过反复调试得出：=360 =0.04 =-3803硬件电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3-1所示，主要由控
9、制模块、无线模块、旋转角度检测模块、电机驱动模块、电源模块组成。无线模 块电源模块旋转角度检测STM32单片机对信号处理电源模块STM32单片机直流电机驱动模块无线模 块显示摆杆旋转角度图3-1系统总体框图3.1.2电源稳压模块原理图 电源稳压模块，电路中需要5.0V和3.3V电压，其电路原理图如图3-2所示。图3-2 电压稳压模块电路图系统的电源输入由两块锂电池串联提供能源，输入电压为 8.4V，为了得到5V和3.3V的板极电压，采用ASM1117-3.3系列电源管理芯片进行变压，输入幅值和纹波均能满足系统要求的电压值。3.1.3无线模块电路原理图nRF24L01无线模块电路图如图3-3所示
10、。无线模块用于子系统和主系统之间进行通信，子系统接收编码器的信号，单片机进行处理之后，将控制变量通过无线模块发送给主系统，主系统接收到变量后，控制电机运转。图3-3 无线模块电路图3.1.4直流电机驱动电路原理图系统中的直流电机驱动电路主要由L298组成，具体电路如图3-4所示。L298可以驱动两台直流电机。L298组合控制的步进电机驱动电路，可以减轻单片机和程序设计的负担，使用元减少，组件的损耗低，可靠性高，体积小，软件开发简单。图3-4 直流电机驱动电路3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述 倒立摆能够在系统运行之后，通过自身旋转到达倒立状态，并能够在倒立状态中承
11、受一定的外在干扰。程序最终运行结果表明，该倒立摆能够完成题目中的各项要求。2、程序设计思路主机和从机都开机以后，摆杆处于自然下垂状态，则从机单片机3s后将编码器此时的状态定义为0状态，同时从机单片机控制无线以2ms的周期向主机发送摆杆角度信息给主机无线装置，提供实时同步显示摆杆状态。0状态设置好了以后，主机控制摆杆左右摆动，却摆幅逐渐加大。当摆杆越过180时，摆杆就完成了圆周运动，与此同时在摆杆运动到165195时，从机会计算在此区间最大的角速度。若在165195的区间内最大角速度超出摆杆能够锁住平衡态的最大角速度时，在摆杆运动到15-15的区间内时，系统控制摆杆会以180时的角速度成一定关系
12、减小摆杆左右摆动的幅度。若当摆杆未能摆到165195的区间内时，在摆杆运动到15-15的区间内时，系统控制摆杆以摆杆最大高度成一定关系加大摆杆左右摆动的幅度，直至摆杆能够成功锁定。当摆杆成功锁定后系统调用PID算法，控制摆杆处于倒立状态，难以倒下。3.2.2程序流程图1、 主程序流程主要由 部分组成，如图3-5所示图3-5 主程序流程图2、PID调节子程序流程图当摆杆处于倒立倒立平衡状态时，程序进入PID调节环节，通过PID调节器，对摆杆的状态不断进行校正，使之始终保持倒立平衡状态。在此调节环节中，系统通过编码器不断对摆杆的旋转角度进行刷新，并以此作为PID控制器的输入值，与摆杆平衡时的稳态值
13、eM进行比较。具体程序流程如图3-6所示：图3-6 PID子程序流程图 其中Kp一比例系数；，Ki一积分系数；，Kd微分系数；T一采样周期；Ti一积分时间常数；Td一微分时间常数；P(k)一总的控制量输出。4系统测试结果与分析4.1 测试条件和仪器测试仪器：直流稳压电源，数字万用表。4.2测试要求及结果1. 测试要求（1） 基本要求 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； 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； 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
14、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 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； 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； 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； 采用LCD显示屏对摆杆在垂直平面的位置进行动态跟踪显示。2. 测试结果及分析表4-1 设定角度测试表测量次数1234摆过设定角度-60+60所需的时间（s）2322表4-2 手动倒立模式运行测试表测量次数1234旋转臂转动的角度()305
15、02035倒立状态的时间81079表4-3 快速起摆模式运行测试表测量次数1234摆杆倒立的时间（s）35112168保持倒立状态的时间(s)20242515测试结果分析，系统总体上达到较好的性能，基本部分都能够在规定的要求内完成，发挥部分也能够达到令人满意的结果。倒立摆能够实现动态倒立，且运行的时间误差在允许范围内。倒立摆运行性能较好，制作成本低，性价比较高。倒立摆控制的误差主要来源于直流减速电机、角度传感器和倒立摆机械结构。直流减速电机在低速运动时，控制存在死区，低脉宽时电机不运动。角度传感器由精密电位器改制，存在角度死区，精度不足。导轨硬度不够，滑动模块长时间滑动造成导轨下弯，滑动模块在运动中摩擦力不均匀。因此，采用具有更好启动、制动和调速特性直流电机、精度更高的角度传感器改进硬件结构，以消除控制误差，使控制精度更高。五、电路原理图1、主机电路原理图如图5-1所示。 图5-1主机电路原理图2、 从机机电路原理图如图5-2所示。 图5-2从机电路原理图