13年电子设计大赛倒立摆

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摘要

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统。本设计在研究倒立摆运动规律的基础上，构建其运动轨迹的数学模型，使用MATLAB进行仿真分析，在对倒立摆模型认识以后，使用k60微控制器结合PID算法给出信号驱动直流减速电机，进而对倒立摆系统进行控制，在倒立的过程中使用编码器采集摆杆角度，对摆杆反馈的角度进行处理，针对角度，角速度的方向，电机运行方向进行处理，运用PD算法调节摆杆倒立，PI参数调节电机速度，通过双回路PD\PI控制方案实现了对旋转臂位置和摆杆偏角的同时闭环控制。

一、系统方案

    本系统主要有五大部分组成，即控制部分、电机部分、传感器部分、电源部分和人机交互部分。传感器采用两个光电式旋转编码器，分别用于测量摆杆角度、电机转速。结合传感器反馈信息运用PID算法将控制信号传输给电机驱动使电机运行，带动旋转臂转动，进而控制摆杆，形成双闭环控制网络。

1.1 主控芯片的论证与选择

方案一：采用AT89S52单片机

优点：AT89S52是CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。具有低功耗，价格便宜，控制简单等一系列优点。

缺点：片内资源少，没有集成的正交解码寄存器，需要外扩才能实现，而且难以实现快速和精准的反映控制。

方案二：采用飞思卡尔Kinetis K60微控制器。

优点：是一款高性能的32位微控制器，片内资源丰富，内置PIT定时器、FTM定时器，有两路编码器AB相正交解码的功能，时钟频率50MHZ，具有高速的计运算能力。

缺点：频率的提高功耗也随之增大。

总结：由以上方案分析，为了可以高精度、高速度的进行系统控制，同时由于编码器使用过程中需要正交解码功能，AT89S52不满足以上要求，故本系统选择方案二，使用飞思卡尔Kinetis K60微控制器。

1.2 摆杆的角度测量的论证与选择

    方案一：采用光电编码器。

    优点：无累计误差，精度高、数字信号接口。

    缺点：价格偏高。

    方案二：采用倾角传感器。

    优点：无累计误差。

    缺点：被测物体有其他加速度则无法准确计算。

    方案三:  采用角速度传感器。

    优点：直接测出角速度，理论上不受移动等其他运动影响。

    缺点：角度由积分产生，累计误差可能导致系统不稳定。

总结：由以上方案分析，为提高测量精度，同时考虑到传感器安装的难易程度，所以我们选择方案一测量摆杆角度。

1.3 电机的论证与选择

方案一：采用空心杯直流减速电机。

    优点：空心杯电动机属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电动机具有杰出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性。

缺点：辐射产生电磁波干扰，减速箱存在机械虚位。

方案二：采用步进电机。

优点:步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移， 步进电机属于开环控制，累计误差小，成本相对低廉。

缺点：步进电机角度分辨率低，且转动时伴随着强烈的振动，这对旋转臂及摆杆的稳定性是不利的。

   方案三：采用伺服电机。

   优点:伺服电机是一种补助马达间接变速装置。其用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，可使控制速度，位置精度非常准确。

    缺点：减速箱存在机械虚位。

    总结：由以上方案分析，考虑到系统的稳定性，性价比等因素，我们选择方案一，采用空心杯减速电机。该电机自带精密行星减速箱和光电式编码器，同时通过对减速箱的改造可以减少机械虚位的影响，完全可以满足题目相关要求。

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hanser

大赛的题一般都比较牛逼哦