清华大学综合论文倒立摆教学实验演示系统研制.docx
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清华大学综合论文倒立摆教学实验演示系统研制
清华大学
综合论文训练
题目:
倒立摆教学实验演示系统研制
ResearchonanExperimentalSystem
ofInverted-Pendulum
系别:
机械工程系
专业:
机械工程及自动化
姓名:
刘鹏飞
指导教师:
孙振国
辅导教师:
2004年06月24日
综合论文训练任务书
姓名刘鹏飞学号2000010552班号机04
系别机械系同组姓名李东指导教师孙振国
一、课题名称:
倒立摆教学实验演示系统研制
二、论文主要内容及进度安排:
论文内容主要包括倒立摆教学实验演示系统电路模块设计、电路调试和界面程序、实时显示、通讯接口等上位机操作平台开发,以及系统综合调试:
⑴.调研资料,确定初步方案,参与机械设计,开题报告;
⑵.系统功能分析,电路模块划分,软件框架设计;
⑶.电路原理设计;
⑷.画PCB图,制作印刷电路板;
⑸.电路调试;
⑹.上位机操作平台设计;
⑺.系统综合调试,撰写论文;
⑻.撰写论文,答辩。
三、论文主要要求(如主要指标):
1.文献翻译;
2.完成倒立摆教学实验演示系统研制中的电气控制设计与制作和实验操作平台开发,达到如下指标:
①.实验操作平台友好,包括实时图形显示、通讯接口程序、数据处理等;
②.电机驱动电路两路输出,适应电压在6V~24V,驱动功率达到25W;
③.完整的系统状态指示电路;
④.多种通讯接口,包括CAN通讯、RS-232通讯、USB通讯。
四、主要参考文献:
[1]张葛祥等.倒立摆与自动控制技术研究.西南工学院学报,2001,16(3):
1~7
[2]AndersonCW.Learningtocontrolaninvertedpendulumusingneuralnetworks.ControlSystemMagazine,1989,9(3):
47~52
[3]张雄伟等.DSP芯片的原理与开发应用.北京:
电子工业出版社,2003.2~10
[4]颜友钧等.DSP应用技术教程.北京:
北京航空航天大学出版社,2001.3~10
[5]徐磊.基于DSP56F805的拟人机器人臂部智能控制系统设计与实现:
[第四届Motorola杯嵌入式处理器(MCU/DSP)设计大赛——B组论文].北京:
清华大学机械工程系,2002.15~19
[6]高速RS-232接口.电子产品世界,2001,8(B):
33
[7]杨传军等.USB技术概述.今日电子,1997,18:
53
[8]徐磊.THSVCS-1型高速视频采集系统设计与实现:
[硕士学位论文].北京:
清华大学机械工程系,2004.48~50
教学负责人签字
年月日
中文摘要
倒立摆是控制理论中一种重要的受控对象,应用背景广泛。
论文在已有的倒立摆机械结构和倒立摆DSP控制程序的基础上,进行倒立摆教学实验演示系统研制中的电气控制设计与制作和实验操作平台开发。
论文首先根据倒立摆实验系统可操作性强的特点提出系统设计任务,然后结合倒立摆机械结构对控制电路的要求,综合分析系统的功能需求,划分系统模块,在此基础上,基于DSP56F805进行电路各模块设计,包括电动机驱动模块设计、系统工作状态指示模块设计、JTAG下载模块设计、CAN通讯和RS-232以及USB通讯接口模块设计、电源模块设计,继而进行系统电路综合设计,随后制作了PCB印刷电路板,焊接电路并经过调试。
然后进行计算机操作平台开发,完成了操作界面程序、实时显示程序和通讯程序设计,实现了上位机实验操作平台人机交互性好的设计目标。
关键词:
倒立摆、DSP56F805、电路模块设计、上位机操作平台
Abstract
Inverted-Pendulumisanimportantexperimentalsystemforthelearningofcontroltheories.BasedontheexistedmechanicalconfigurationandtheDSPprogram,controlcircuitsandoperationplatformaredevelopedinthispaper.
Accordingtothecharactersoftheexperimentalsystem,requirementsofthesystemareanalyzedsynthetically,andthemodulesofthesystemaredivided.ControlcircuitsbasedonDSP56F805aredesignedandrealized,suchasthemoduleformotordriving,themoduletoindicatethestateofthesystem,themoduleofJTAGfordownloadprogram,theinterfacesofCAN,RS-232andUSB,themoduleofpowerandsoon.Then,PCBboardsofcontrolcircuitsaremadeandtest.
Theplatformforoperationisdesigned,itincludestheprogramforoperationinterface,theprogramforrealtimedisplaying,andtheprogramforcommunication.Theplatformiseasytooperate.
Keywords:
Inverted-Pendulum,DSP56F805,circuitdesign,theplatformforoperationonPC
目录
第1章绪论1
1.1概述1
1.2课题任务2
第2章倒立摆教学实验演示系统电路设计4
2.1电动机驱动模块7
2.1.1驱动电路需求分析与资源分配7
2.1.2驱动电路主要芯片选择9
2.2.3限位保护电路设计13
2.2指示与控制模块13
2.3JTAG下载电路16
2.4通讯接口模块设计18
2.4.1CAN总线接口设计19
2.4.2RS-232串口设计20
2.4.3USB接口设计21
2.5电源模块设计25
2.6PCB分层结构28
2.7本章小结29
第3章倒立摆教学实验演示系统印刷电路板制作与调试30
3.1电机驱动模块调试32
3.2指示控制模块调试33
3.3DSP最小系统以及JTAG下载模块调试33
第4章倒立摆教学实验演示系统操作平台开发36
4.1用户操作界面设计38
4.2CAN卡设置及其调试界面设计39
4.3图形界面及数据保存设计42
4.4后续工作展望45
4.5本章小结45
第5章结论46
参考文献47
致谢48
附录1电动机驱动电路模块原理图49
附录2控制指示电路模块原理图50
附录3JTAG下载电缆原理图51
附录4DSP最小系统及通讯接口原理图52
附录5USB接口电路原理图53
外文文献阅读报告54
英文原文66
第1章绪论
1.1概述
杂技中顶杆表演为人们所熟悉,不仅仅是因为那精湛的技艺让人们叹为观止,更重要的是它揭示了自然界一种基本规律:
一个自然不稳定的被控对象,通过控制手段可使之具有良好的稳定性。
把杂技演员顶杆的物理机制进行物理抽象,就可以简化为一个倒置的摆,简称倒立摆(Inverted-Pendulum)。
下图1.1是一种典型的倒立摆系统,它是一个直线型一级倒立摆系统的机械模型,由沿导轨做直线运动的小车、通过转轴固定在小车上的摆体、驱动电机、检测装置等组成。
该系统的控制目标是利用驱动电机带动小车沿直线导轨向左或者向右运动,从而使摆体稳定在倒立点位置(uprightposition)。
所谓的稳定一般是指摆体与轴线的夹角的绝对值不大于5°,而不是指摆体相对轴线绝对静止,即达到动态平衡。
只要在一级摆的顶端再铰链摆,就可以组成二级、三级甚至更高级的倒立摆。
倒立摆系统的运动轨迹可以是水平的,也可以是倾斜的。
图1.1常见的一级倒立摆系统
在控制理论发展的过程中,某一理论的正确性及实际应用中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证[1]。
倒立摆就是这样一个被控制对象。
倒立摆本身是一个自然不稳定体,在控制过程中,能有效地反映控制中的许多关键问题,如非线性问题、系统的鲁棒性问题、随动问题、镇定问题及跟踪问题等。
倒立摆系统作为一个实验装置、形象直观、结构简单、构件组成参数和形状易于改变,成本低廉;作为一个被控对象,它又相当复杂,就其本身而言,是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统,只有采取行之有效的控制方法方能使之稳定[2]。
倒立摆在控制理论研究中具有重要的实验价值,所以提出倒立摆教学实验演示系统研制这一课题。
1.2课题任务
实验室同组同学已经搭建出倒立摆机械平台,并且开发出基于DSP56F805数字处理器的控制程序,此基础上,进行倒立摆教学实验演示系统研制。
倒立摆教学实验演示系统结构框图如下图1.2所示,所以,形成一整套完整的教学实验演示系统,还需要进行电路设计,用以控制倒立摆,开发实验系统操作平台,进而达到实验系统的要求。
图1.2倒立摆教学实验演示系统组成框图
根据实验系统的特殊要求,本课题的具体任务主要包括以下方面:
.进行电路设计,其中电动机驱动接口有两路,其中一路预留,通讯接口可以有多种选择,包括CAN通讯接口、RS-223通讯接口、USB通讯接口。
.实验系统操作平台主要包括操作界面,实时显示以及通讯程序,同时编写详细的说明书,方便实验人员操作。
最终研制完成的实验系统要有可脱机工作、操作方便的特点。
第2章倒立摆教学实验演示系统电路设计
对倒立摆控制的核心是进行信号处理,包括模拟信号处理和数字信号处理。
数字信号处理(DigitalSignalProcessing,简称DSP)是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴学科。
本世纪60年代以来,随着计算机信息学科的飞速发展,数字信号处理技术应运而生,并得到迅速的发展,在过去的十几年里,它已经成为通信等领域里的一项极为重要的技术。
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理,以得到符合人们需要的信号形式。
数字信号处理的出现大大促进了一些学科的发展,例如近来新兴的一些学科,如人工智能、模式识别、神经网络等,都是与数字信号处理密不可分的[3]。
而倒立摆的控制正好用到人工智能、神经网络等控制算法,所以数字信号处理与倒立摆控制有了良好的切如点。
数字信号处理的实现方法一般有以下几种:
⑴.在通用的计算机(如PC机)上用软件(如Fortran,C语言等)实现;⑵.在通用计算机系统中加上专用的加速处理机;⑶.用通用的单片机(如80196系列等)实现,这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理,如数字控制等;⑷.用通用的可编程DSP芯片实现,与单片机相比,DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源,可用于复杂的数字信号处理算法;⑸.用专用的DSP芯片实现,在一些特殊的场合,要求的信号处理速度极高,用通用DSP芯片很难实现,例如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关等算法的DSP芯片,这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现,无需进行编程。
在上述几种方法中,第一种方法的缺点是速度较慢,一般可用于DSP算法的模拟,第二种和第五种方法专用性强,应用受到很大的限制。
第三种方法不适合于复杂的DSP算法,只有第三种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面[4]。
而且根据倒立摆实验系统可以脱机工作的设计目标,倒立摆的算法控制,不能由通用计算机系统加专用的加速处理机完成,但倒立摆的控制,计算工作量特别大,通用的单片机很难实现,所以只能选择通用的可编程DSP芯片实现。
DSP56F805是Motorola公司新近推出的针对马达控制DSP产品,它拥有非常丰富的硬件及软件资源,这一点可以通过它和Intel的工业控制单片机比较看出。
87C196CA属于Intel公司80196系列单片机,有着较为悠久的历史,单纯就产品而言,两者不具有可比性[5],在倒立摆控制中,DSP56F805更加具有优势,下表2.1列出两者性能比较。
表2.1DSP56F805与87C196CA资源比较
MotorolaDSP56F805
Intel87C196CA
电源
3.3V(但是Input兼容5V)
5V
主频
80MHz(内部有10倍频器)
16MHz
体系结构
哈佛体系结构
冯诺伊曼体系结构
流水线
4
1
程序存储器
32Kwords(16bits)flashmemory
2Kwordsbootflashmemory
32Kbytes(8bits)optrom
数据存储器
4Kwordsdataflashmemory
2Kwordsdataram
512wordsprogramram
1KbytesRegisterRam
256bytesRam
串口
2
1
正交解码器
2
1(与timer复用)
GPIO
32(14专用,18复用)
12(不算高速口)
PWM
2组6通道硬件PWM
通过高速口实现(共有6个)
A/D
2组4通道12位ADC
1组8通道8/10位ADC
Timer
4
2
表2.1DSP56F805与87C196CA资源比较(续)
CAN
集成1个CAN2.0B模块
集成1个CAN2.0B模块
调试接口
JTAG
不支持JTAG
开发
汇编、C、MIXED
汇编、C
开发系统
JTAG接口
单片机PC共享片外存储器
从上表可以看出,针对电机控制DSP56F805的资源是相当丰富的,非常适合倒立摆的控制。
后续的设计就DSP56F805为中心展开,图2.1是电路设计的框图。
图2.1电路设计框图
根据电路功能划分以及方便电路调试,电路设计采用模块化设计方案。
如上图所示,电路的主要模块包括DSP最小系统模块、电动机驱动模块、指示与控制模块、JTAG下载电路模块、通讯接口模块,电源模块、下面对几个主要模块进行设计。
2.1电动机驱动模块
电路设计的最终目标是控制电动机,因此必须优先设计电动机驱动模块。
DSP56F805不是直接控制电机的,因为像DSP56F805这样的数字芯片无法直接驱动电机,在DSP56F805和电机之间要加一个驱动电路。
所以电动机驱动模块设计的思路如下图2.2所示:
图2.2电动机驱动模块设计流程图
2.1.1驱动电路需求分析与资源分配
根据可扩展的需要,驱动电路可以同时控制两个电动机。
一般情况下,直流电动机控制需要起停信号(Enb信号),正反转信号(Dir信号),速度控制信号(PWM信号),如下图2.3所示:
Enb信号和Dir信号可以通过DSPI/O口给出,PWM信号可以通过片内PWM硬件通道给出,资源具体分配如下表2.2、2.3、2.4所示:
图2.3两路电机控制所需信号
表2.2两路电机占用DSP的资源表
IO类型
GPIO(output)
PWM
ADC
M1
2
1
1
M2
2
1
1
总计
4
2
2
表2.3DSP56F805部分I/O资源表
I/O类型
DedicateGPIO
MultiplexedGPIO
IRQ
PWM
ADC
数量
14(双向)
18(双向)
2
2×6
2×4
表2.4DSP控制信号分配表
I/O名
管脚号
类型
电动机控制信号
GPIOD2
104
GPIOoutput
M1.Enb
GPIOD4
123
GPIOoutput
M1.Dir
PWMA2
101
PWMAoutput
M1.PWM
GPIOD3
121
GPIOoutput
M2.Enb
GPIOD5
127
GPIOoutput
M2.Dir
PWMA3
103
PWMAoutput
M2.PWM
驱动电路的最主要功能是输出功率。
机械设计中,所采用的电动机的额定电压是12V,额定电流0.2A,最大电流0.85A。
在倒立摆系统升级时,电动机的功率可能要增大,因此为系统升级预留空间,设定驱动电路的最大输出电压为24V,最大电流输出为2A,而且可以两路输出。
2.1.2驱动电路主要芯片选择
图2.4L298N结构及引脚图
电动机的驱动是控制的关键,在倒立摆的控制中,要求电动机的控制很灵活,不但能够容易地切换电动机的转动方向,还要能够控制电动机的转动速度。
L298N双路全桥驱动芯片的信号变化延迟时间在μs量级,因此可以满足要求。
上图2.4是L298N的结构及引脚图,基本技术参数如下表2.5。
表2.5L298N的基本技术参数表
符号
参数
最大值
单位
Vs
驱动电压
50
V
Vss
芯片逻辑电压
7
V
Vi,Ven
输入及使能信号
-0.3~7
V
Io
最大输出电流(单通道)
—瞬时电流(t=100us)
—脉冲电流(占空比80%,10ms周期)
—恒流输出
3
2.5
2
A
A
A
Vsens
检测电压
-1~2.3
A
Ptot
总功耗(75℃时)
25
W
Top
工作温度
-25~130
℃
从表2.5L298N的参数可以看出,L298N的工作电压可以达到50V,工作电流可以达到2A以上,切换频率在工作电流为2A时可以达到40KHz。
因此L298N从驱动能力上可以满足设计要求。
下图2.5是L298N的典型应用接线图。
图2.5L298N典型应用图
其中Vs是动力电源的输入,在此接入+12V,Vss表示逻辑电平的“1”,在此接入+5V,Ven是使能端接入逻辑电平信号,C、D是控制信号的输入端,在C端上加载高电平,D端上加载低电平,则电动机向某个方向如正向转动,如果在C端加载低电平,D端加载高电平,则电机反向转动。
如果调整控制信号的高电平的时间,就可以控制电动机的转速,即通常说的PWM控制方案。
具体的逻辑关系如下表2.6所示:
表2.6L298逻辑关系
信号输入
控制结果
Ven=H
C=H;D=L
“正转”
C=L;D=H
“反转”
C=D
停止
Ven=L
C=X;D=X
自由停止
L=LOW,H=HIGH,X为任意状态
系统控制中,通过PWM高电平控制电机的速度,因此DSP输出信号与控制电动机的驱动信号应满足下图2.6所示逻辑关系。
图2.6DSP输出与L298N输出的逻辑关系图
从图可以看出,在逻辑上,
,
,所以进行高电平控制,必须加入异或门,设计中所选则的异或门为CD4030B,因为该芯片的工作电压为3.3V,与DSP输出信号的电平可以匹配。
系统设计中,所选择的电位器为线性电位器,如果直接将电位器输出信号与DSPA/D通道相连,电位器输出就不是线性的,如下图2.7所示:
U基准电压,R1电位器阻值,R2A/D通道内置电阻
图2.7电位器输出直接与A/D通道相连接
由于R2不是无限大,所以选择L324运放进行阻值隔离,单通道接线图如下图2.8所示:
U基准电压,R1电位器阻值,R2A/D通道内置电阻
图2.8A/D转换阻值隔离图
2.2.3限位保护电路设计
在整体设计中,系统加入可以通过强电的限位开关,功能要求:
小车向A方向运动,撞击到A方向限位开关,电路断路,但可以通过B方向手动开关控制小车向B方向运动,同时屏蔽L298N输出与B方向手动开关的作用,同样,小车向B方向运动,撞击B方向限位开关,电路断路,但可以通过A方向手动开关控制小车向A方向运动,同时屏蔽L298输出与A方向手动开关的作用。
经过反复设计,最终的设计电路图如下图2.9所示。
图2.9限位保护电路设计
从上图可以看出,各开关的优先级由高到低依次为:
左限位、右限位、左手动、右手动。
改设计中,必须具备的条件是电动机“+”与PWM电压连接,电动机“-”与方向电压相连,这是布线的关键。
本设计只是针对现有的机械系统设计。
电动机驱动模块的电路设计原理图见附录1。
2.2指示与控制模块
电路设计中,加入一定数目的状态指示灯,可以了解DSP的工作状态,也可以及时反映出操作状态,方便对DSP的控制。
下图2.10是系统的工作流程。
根据流程,系统需要的指示、控制资源如下表2.7所示。
图2.10系统工作流程图
表2.7控制与状态指示DSP56F805I/O口分配表
I/O名
管脚号
类型
控制指示信号
PD1
102
GPIOoutput
SystemStartIndication
A11/PA3
30
GPIOoutput
StartControlIndication
A10/PA2
28
GPIOoutput
StopControlIndication
表2.7控制与状态指示DSP56F805I/O口分配表(续)
PB0
84
GPIOoutput
OnlineIndication
PB1
86
GPIOoutput
OfflineIndication
PB4
92
GPIOoutput
USBCOMIndication
PB5
94
GPIOoutput
CANCOMIndication
PB6
96
GPIOoutput
RS-232COMIndication
PB7
98
GPIOoutput
PIDControlIndication
PD0
100
GPIOoutput
UsersControlIndication
PB2
88
GPIOoutput
MoveLeftIndication
PB3
90
GPIOoutput
MoveRightIndication
A13/PA5
33
GPIOinput
Offline|/OnlineSelection
A12/PA4
32
GPIOinput
PID|/UserControlSelection
A14/PA6
37
GPIOinput
Start|/StopcontrolSelection
DSP56F805I/O口输出的电流值只有几μA,如果直
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