电子设计大赛培训简易旋转倒立摆及其控制装置大学论文Word下载.docx
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1方案论证与比较
1.1系统总方案描述
本系统主要包括电源模块,单片机控制模块,按键选择模块、电机驱动模块、角度检测模块和数据显示模块。
系统以MSP430F149单片机为控制核心,采用36V直流电给驱动供电。
由按键选择倒立摆的工作模式,单片机通过驱动控制电机转动,电机上装有20cm的旋转臂,电机高速旋转带动旋转臂。
旋转臂与摆杆之间装编码器,编码器检测摆杆的转角,并将数据反馈给单片机,位置式PID控制算法对数据处理后,单片机输出PFM波控制驱动改变伺服电机的转速。
图1-1为系统总体框图。
图1-1系统总体框图
控制模块的论证与比较
方案一:
采用51单片机作为本系统的主控制芯片。
51系列单片机功耗较高,8位微型处理器运算速度慢,无硬件乘法器,片内资源少。
但价格低廉,使用简单。
方案二:
采用MSP430F149.单片机作为本系统的主控制芯片
MSP430F149单片机德州仪器开发的一种超低功耗微控制器,它是一款16位单片机,内含12位快速ADC,只需外接一个电阻、一个电容即可实现高精度斜率A/D转换。
并且具有运算速度快,精度高,执行能力强,中断源多等优点。
综上两种方案,MSP430F149单片机比51单片机运算速度快,精度高,处理能力强,功耗低,大大降低了复杂度,整个系统的性价比也很高,我们选择方案二。
1.3电机驱动模块的论证与比较
1.3.1电机的选择与论证
采用BLM57180伺服电机。
BLM57180伺服电机具有良好的启动、制动和调速能力。
可方便在宽范围内实现平滑无极调速。
启动转矩大,转速快、易控制,但需要维护,会产生电磁波干扰,成本高.
步进电机。
步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
综上两种方案,倒立摆的控制需要电机有足够的扭矩,步进电机负载能力较小,虽然可以通过外加加速齿轮来实现,但比较费时费力。
而BLM57180伺服电机虽然成本高,但性能高,转矩大,适合本系统对电机的要求故选择方案二。
1.3.1电机驱动的选择与论证
采用THB6064H驱动模块。
THB6064H是一款专业的PWM斩波两相步进电机驱动芯片。
它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路,配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。
适合驱动57、86型步进电机。
:
采用以L298N为主芯片的驱动电路。
L298N是ST公司生产的一种二相和四相电机的专用驱动器。
L298N是可以承受高压大电流的双全桥式驱动器,输出电流大,功率大,可以同时控制两个电机,价格适中,是比较实用的电机驱动模块。
方案三:
采用ACS606驱动。
ACS606是一款简化接口的交流伺服驱动器,在控制接口方面提供脉冲、方向、使能三个信号,专为位置控制模式设计,额定转速达3000rpm,低速可达1rpm,全速度段高平稳低噪音,彻底解决步进丢步、发热、噪音等问题。
综上三种方案,本系统采用ACS606驱动。
因为我们选择了BLM57180伺服电机,而ACS606驱动是一款为伺服电机所设计的驱动,而L298N、THB6064H更适用于步进和直流电机。
1.4角度检测模块的论证与比较
采用导电塑料角位移传感器WDS35D。
WDS35D传感器采用特殊形状的转子和绕线线圈,模拟线性可变差动传感器的线性位移。
WDS35D测量范围为0°
~360°
,输出电压范围输入电压有关,输出精度为1mv,测量精度为0.1°
,线性度好,长期稳定性好,灵敏度高,可以实现对角位移的精确测量。
采用型号为HN3860A5V1024的绝对值编码器。
HN3860A5V1024绝对编码器由机械位置确定编码,它无需记忆,无需找参考点,而且不用一直计数,什么时候需要知道位置,什么时候就去读取它的位置。
编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高。
综上两种方案,WDS35D和HN3806A5V1024编码器都可以实现对角位移的精确测量,但HN3806A5V1024编码器却更容易控制,且抗干扰,数据可靠,适合本设计对角度传感器的要求,故我们选择方案二。
2硬件设计及理论分析
2.1PID控制算法理论分析
系统要实现倒立功能,单片机对角度数据的处理是为重要的。
本系统采用位置式PID控制算法对编码器所测角度数据进行处理,并以此作为参数调节电机的转速,最终实现摆杆倒立。
PID调节是一种线性调节,它将给定值与实际输出值的偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制。
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,控制理论和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、微分进行计算。
在本系统中被控对象为摆杆,其数学模型以及理论计算并不容易,故我们采用位置式PID控制算法对编码器所测角度数据进行处理其中P为比例系数;
I为角度误差的积分系数;
D为微分系数。
输出量=P*角度误差n+D/dt*(角度误差n-角度误差n-1)
系统控制框图如2-1所示。
图2-1系统控制框图
2.2单片机控制模块设计
基于MSP430F149单片机的主控电路,MSP430F149是德州仪器开发的一种超低功耗微控制器,16位的CPU集成寄存器和常数发生器,实现了最大化的代码效率。
MSP430F149单片机还具有处理能力强,功耗低,执行能力强,中断源多等优点。
在整个系统中由MSP430F149单片机控制实现编码器数据的采集,角度数据的的处理,电机的驱动。
图2-2为MSP430F149单片机最小系统电路图。
图2-2MSP430F149单片机最小系统电路图
2.3电机驱动模块设计
本系统采用ACS606驱动模块驱动BLM57180伺服电机作为系统的执行机构。
单片机接收编码器所测得的摆杆转角,采用PID控制算法对此数据处理,输出PFM波控制ACS606驱动模块驱动电机。
ACS606是雷赛一款简化接口的交流伺服驱动器,其在控制接口方面提供了脉冲、方向、使能三个信号,专为位置控制模式设计,最高速度可达3500rpm,克服了步进丢步,发热,噪音等问题。
图2-3为驱动与电机及单片机连接的电路图。
图2-3驱动与电机及单片机连接的电路图
2.4角度检测模块设计
本系统采用型号为HN3806A5V1024的绝对值编码器作为测量角度的传感器。
编码器将测量的摆杆转角反馈给单片机,单片机作出相应的响应。
HN3806A5V1024绝对式编码器输出与位置相对应的代码,单片机根据读出码盘上的编码,检测绝对位置。
从代码数大小的变化可以判别正反方向和位移所处的位置,绝对零位代码可以用于停电位置记忆。
片机通过读取编码器码值的变化测量角度。
图2-4为编码器与单片机的连接电路图。
图2-4编码器与单片机的连接电路图
3系统软件设计
程序主要起导向和决策的作用,它控制整个系统稳定协调的运作。
在本系统中,对各个模块的调试采用分步进行,确定各个模块的独立工作完整性,然后再对整个系统所有模块进行完糅合,使其完成系统的所有功能。
本系统以MSP430F149单片机为控制器,采用C语言对单片机进行编程,系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现。
本系统首先由按键选择倒立摆的工作模式,之后单片机通过驱动模块控制伺服电机转速进而控制摆杆的转角。
模式二由编码器将检测到的摆杆转角数据反馈给单片机,经位置式PID算法处理数据后,单片机输出PFM波控制驱动改变伺服电机的转速。
系统主流程图如图3-1所示。
图3-1主流程图
4系统测试
4.1主要测试用的仪器
在室温条件下,测试所用仪器如表4-1所示。
表4-1测试仪器
编号
型号
数量
1
示波器
1台
2
万用表
3
量角器
1个
4
秒表
4.2指标测试结果
测试摆杆从处于自然下垂状态开始,是否能够超过±
60°
摆动,是否能够在竖直面内做圆周运动,以及摆杆保持倒立的时间,共测试6组数据,如表4-2所示。
表4-2摆杆角度测试结果
次数
能否超过±
60度摆动
能否做圆周运动
保持倒立的时间(s)
能
5
6
7
4.3测试结果及误差分析
经过测试,本系统基本完成了基础部分的要求,完成情况如表4-3所示。
表4-3测试结果
题目要求
完成情况
基本部分
(1)摆杆从处于自然下垂状态开始,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±
。
完成
(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。
续表4-3
(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°
经过测试,本系统完成了预期的目标。
误差分析,由于MSP430F149自身的精度,外围电路中非线性元件,编码器精度导致采集、处理以及最后显示的值有一定误差,微处理器对采集到的信号进行PID调节处理时产生的误差,转轴、旋转臂、摆杆之间有一定的摩擦,这些因素都会造成误差。
总结
经过一周的努力,本组完成了由MSP430F149单片机控制的旋转式倒立摆装置。
通过测试,摆杆能从处于自然下垂状态开始,使摆角达到超过±
,完成圆周运动。
当外力拉起摆杆至接近165°
位置,撤除外力同时,启动控制旋转臂能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未超过90°
在本次设计中我们了解编码器对角度的测量方法,掌握了PID控制算法。
经过努力,我们完整的实现了设计的目标。
参考文献
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德州仪器半
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