全国电子设计大赛报告.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛 简易旋转倒立摆及控制装置（C题） 【本科组】 摘要： 通过对该测控系统结构和特点的分析，结合现代控制技术设计理念实现了以微控制器MC 9S12XS128系列单片机为核心的旋转倒立摆控制系统。通过采集的角度值与平衡位置进行 比较，使用PD算法，从而达到控制电机的目的。其工作过程为：角位移传感器WDS35D通 过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过A/D采样后反馈给主控制器。控制器根据角度传 感器反馈信号进行PID数据处理，从而对电机的转动做出调整，进行可靠的闭环控制，使 用按键调节P、D的值，同时由显示模块显示当前的P、D值。 关键字： 倒立摆、直流电机、MC9S12XS128单片机 、角位移传感器WDS35D、PD算法 目录 一、设计任务与要求 3 1 设计任务 3 2 设计要求 3 二 系统方案 4 1 系统结构 4 2 方案比较与选择 4 （1） 角度传感器方案比较与选择 4 （2） 驱动器方案比较与选择 5 三 理论分析与计算 5 1 电机的选型 5 2 摆杆状态检测 5 3 驱动与控制算法 5 四 电路与程序设计 6 1 电路设计 6 （1）最小系统模块电路 6 （2）5110显示模块电路设计 7 （3）电机驱动模块电路设计 8 （4）角位移传感器模块电路设计 8 （5）电源稳压模块设计 8 2 程序结构与设计 9 五 系统测试与误差分析 10 5.1 测试方案 10 5.2 测试使用仪器 10 5.3 测试结果与误差分析 10 6 结论 11 参考文献 11 附录1 程序清单（部分） 12 附录2 主板电路图 15 附录3 主要元器件清单 16 一、设计任务与要求 1 设计任务 设计并制作一套简易旋转倒立摆及控制装置。旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机 A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端， 当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自 由旋转。如下图所示 2 设计要求 基本要求： 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 60°~+60°； 从摆杆处于下垂状态开始，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1 65°位置，外力撤出同时，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 臂的转动不大于90°。 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内回复倒立状态； 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°。 二 系统方案 1 系统结构 系统包括MC9S12XS128单片机；直流电机和电机驱动模块；角位移传感器。由直流电 机来控制旋转臂转动从而来使摆杆摆动，在摆杆的转轴处加上角位移传感器，使摆杆一 开始能快速得摆动出来，并且能保持倒立的状态，框图如下： 2 方案比较与选择 （1） 角度传感器方案比较与选择 方案 选择角位移传感器：角位移传感器它采用非接触式专利设计，与同步分析器和电位 计等其他传统的角位移测量仪相比，有效地提高了精度。 方案 选择陀螺仪：陀螺仪传感器最主要的特性是它的稳定性和进动性。它是用来感测和 维持方向的装置，主要用在航空来判断方向，在此次设计中想到用陀螺仪来控制摆杆角 度，但判断比较复杂，不实用。 因此我们选择角位移传感器。 （2） 驱动器方案比较与选择 方案 选择L298：L298工作电压为12V，电流到2A。但是它的驱动能力弱，不满足我们的 需求。 方案 选择BTN7971：相对于L298,这款驱动器有着跟强大得驱动能力。它与单片机5V 隔离保护单片机；它的PWM1，PWM2最高支持15V，此驱动集成的模块反应迅速，发热量小 。 因此我们选择BTN7971。 三 理论分析与计算 1 电机的选型 一开始我们选择步进电机：步进电机可以实现开环控制，即通过驱动器信号输入的脉 冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。它可以旋转极小的角度 ，从而实现倒立摆的功能。但我们实际操作起来转速比较慢，加上旋转臂等后速度缓慢 。 后来选择直流电机：通过直流电机来带动旋转臂，从而带动摆杆。直流电机控制简单 ，只要加上合适的电压就会转，转速相比步进电机更快，比较适合本题的要求，而且更 适用于PD算法，便于摆杆保持倒立状态。 2 摆杆状态检测 摆杆状态的检测主要要用角位移传感器，然后通过芯片内置AD每隔0.5ms读取到数据，再 将数据转化成角度，通过PID算法调节电机直立效果。假如当摆杆在倒立状态时，然后 全国大学生电子设计竞赛中，参赛团队设计了一个简易旋转倒立摆及控制装置，该装置基于MC9S12XS128系列微控制器，利用现代控制理论，特别是PD算法，来实现对摆杆的精确控制。倒立摆系统由直流电机驱动旋转臂，摆杆通过转轴与旋转臂连接，其摆动状态由角位移传感器WDS35D进行实时监控。 设计任务是创建一个能够从自然下垂状态开始摆动并快速达到60°至+60°的摆角，进一步增大摆动幅度直至完成圆周运动。在特定条件下，如摆杆被拉至接近165°并释放时，系统需保持摆杆倒立至少5秒，同时旋转臂的转动不超过90°。发挥部分则要求摆杆能快速倒立并维持至少10秒，遭受干扰后能继续保持倒立或在2秒内恢复，以及在倒立状态下允许旋转臂完成360°以上的单向转动。 系统方案中，选择了角位移传感器而非陀螺仪，因为前者具有非接触式设计和更高精度，适合实时监测摆杆角度。驱动器方面，团队选择了BTN7971，它具有更强的驱动能力和良好的热管理性能，优于L298驱动器。 在理论分析中，团队首先考虑了步进电机，但由于其速度较慢，最终选择了直流电机。直流电机的控制更为简便，速度更快，适合PD算法，有助于保持摆杆的稳定倒立。角位移传感器的数据被每0.5毫秒采集一次并转化为角度，通过PID算法调整电机以优化直立效果。 电路设计包括了最小系统模块、5110显示模块、电机驱动模块、角位移传感器模块和电源稳压模块。程序设计涉及了主控制器的PID算法实现，用户可以通过按键调节PD参数，并在显示模块上查看当前参数。 系统测试阶段，制定了详细的测试方案，使用了相应的测试仪器，对测试结果进行了误差分析，以验证装置的性能和稳定性。报告给出了结论和参考文献，还包含了程序清单、主板电路图和主要元器件清单，提供了完整的设计过程记录。 该电子设计大赛的项目展示了参赛者在控制理论、硬件设计和软件编程上的综合能力，通过实际操作实现了对复杂动态系统的精确控制，体现了工程实践中的创新思维和技术应用。