平衡桿小車論文

1、PAGE PAGE III2014年TI杯福建省大學(xué)生電子設(shè)計競賽平衡桿小車（B題）【本科組】2014年9月6日摘 要 摘 要：本平衡桿小車采用飛思卡爾單片機(jī)作為主控芯片，用全橋電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動電機(jī)，飛思卡爾單片機(jī)結(jié)合角度編碼器通過PID算法控制電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動四個減速電機(jī)，使小車前進(jìn)后退控制車上擺桿實現(xiàn)倒立，并通過光電開關(guān)進(jìn)行循跡，實現(xiàn)小車的行進(jìn)。硬件部分主要包括飛思卡爾單片機(jī)最小系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動電路，電源模塊，光電開關(guān)循跡模塊等。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 電機(jī)驅(qū)動 角度編碼器 減速電機(jī) 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc239306421 1系統(tǒng)方案 PAGERE

2、F _Toc239306421 h 1 HYPERLINK l _Toc239306422 1.1 處理器模塊的論證與選擇 PAGEREF _Toc239306422 h 1 HYPERLINK l _Toc239306423 1.2 電機(jī)模塊的論證與選擇1 HYPERLINK l _Toc239306424 1.3 傳感器模塊的論證與選擇2 1.4 電源模塊的論證與選擇.2 HYPERLINK l _Toc239306425 2系統(tǒng)理論分析與計算3 HYPERLINK l _Toc239306426 2.1 倒立擺的數(shù)學(xué)模型分析及計算3 HYPERLINK l _Toc239306427 2

3、.1.1 理論分析3 HYPERLINK l _Toc239306428 2.1.2 實際系統(tǒng)模型4 HYPERLINK l _Toc239306430 2.2 PID算法分析5 HYPERLINK l _Toc239306438 3電路與程序設(shè)計8 HYPERLINK l _Toc239306439 3.1電路的設(shè)計8 HYPERLINK l _Toc239306440 3.1.1系統(tǒng)總體框圖8 HYPERLINK l _Toc239306441 3.1.2 主控系統(tǒng)電路原理圖8 HYPERLINK l _Toc239306442 3.1.3 電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖93.1.4 傳感器模塊電

4、路原理圖 10 HYPERLINK l _Toc239306443 3.1.5電源模塊電路原理圖10 HYPERLINK l _Toc239306444 3.2程序的設(shè)計10 HYPERLINK l _Toc239306445 3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路10 HYPERLINK l _Toc239306446 3.2.2程序流程圖11 HYPERLINK l _Toc239306447 4測試方案與測試結(jié)果12 HYPERLINK l _Toc239306448 4.1測試方案12 HYPERLINK l _Toc239306449 4.2 測試條件與儀器12 HYPERLINK l _

5、Toc239306450 4.3 測試結(jié)果及分析12 HYPERLINK l _Toc239306451 4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))12 HYPERLINK l _Toc239306452 4.3.2測試分析與結(jié)論125設(shè)計總結(jié)13 HYPERLINK l _Toc239306453 附錄1：電路原理圖14 HYPERLINK l _Toc239306454 附錄2：源程序15 HYPERLINK l _Toc239306454 附錄3：硬件設(shè)計15PAGE PAGE 21簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（C題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由處理器模塊、電機(jī)模塊、驅(qū)動模塊、傳感器模塊、電源模塊組成，

6、下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1 處理器模塊的論證與選擇方案一：選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢。同時，CPLD的處理速度非?？?，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點(diǎn)上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案。方案二：采用飛思卡爾單片機(jī)MK60FX512VLQ15作為控制器，相對于32位的其他芯片，性價

7、比高，此單片機(jī)最大的優(yōu)勢的處理速度快，有足夠的資源控制系統(tǒng)的自動化，另外次單片機(jī)功耗低、集成程度高、通過庫函數(shù)開發(fā)軟件實現(xiàn)也比較容易。綜合考慮了傳感器、電機(jī)的驅(qū)動等諸多因素后，我們決定采用飛思卡爾單片機(jī)，充分利用MK60FX512VLQ15單片機(jī)的資源，選擇方案二。1.2 電機(jī)模塊的論證與選擇方案一：采用步進(jìn)電機(jī)控制小車。步進(jìn)電機(jī)作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。但是不經(jīng)細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)控制精度不高，速度響應(yīng)也較慢，接線復(fù)雜，程序相對復(fù)雜，。方案二：采用直流減速電機(jī)控制小車。在減速系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)是一種補(bǔ)助

8、馬達(dá)間接變速裝置。直流減速電機(jī)可用PWM控制速度，接線簡單，程序方便，它將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。直流減速電機(jī)在控制精度、低頻和矩頻特性、過載能力、運(yùn)行和速度響應(yīng)性能等方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。綜合考慮采用方案二。1.3 驅(qū)動模塊的論證與選擇方案一：三極管價格便宜，驅(qū)動電路設(shè)計復(fù)雜，不穩(wěn)定，出問題難于查詢。方案二： L298N芯片價格便宜，電路設(shè)計簡單，驅(qū)動電流大，但驅(qū)動大功率的電機(jī)不是很穩(wěn)定，當(dāng)電流過大時發(fā)熱嚴(yán)重容易燒壞芯片。方案三：采用全橋大功率驅(qū)動，運(yùn)用4個MOS管組成驅(qū)動一個電機(jī)，電路復(fù)雜，適用于大電流大功率的電機(jī)驅(qū)動，此系統(tǒng)四個電機(jī)，運(yùn)行時電流相對較大，符合本系統(tǒng)設(shè)計要求。

9、綜合以上三種方案，采用方案三。1.4 傳感器模塊的論證與選擇方案一：MPU-6000（6050）整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動處理硬件加速引擎，由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，可處理運(yùn)動感測的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運(yùn)動處理運(yùn)算對操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API，用于測量角度、加速度等，但是程序復(fù)雜，當(dāng)線過長時，信號失真較大，容易產(chǎn)生誤差。方案二：采用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速并配合PWM技術(shù)可以實現(xiàn)快速調(diào)速的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換

10、成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出。通過雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向，利用此編碼器可以完美結(jié)合飛思卡爾正交解碼，測量角度，此編碼器較穩(wěn)定。綜合考慮采用方案二。2.系統(tǒng)理論分析與計算2.1 倒立擺的數(shù)學(xué)模型及計算 2.1.1 理論分析Mg圖2-1 倒立擺系統(tǒng)的簡化模型分析擺桿水平所受的合力，可以得到以下方程： （2.1）由擺桿水平方向的受力進(jìn)行分析可以得到下面等式： 即 ： （2.2）把這個等式代入上式中，就得到系統(tǒng)的第一個運(yùn)動方程： （2.3）為了推出系統(tǒng)的第二個運(yùn)動方程，我們對擺桿垂直方向上的合力進(jìn)行分析，可以得到下面方程

11、： 即： (2.4)力矩平衡方程如下： (2.5)方程中力矩的方向，由于，故等式前面有負(fù)號。合并這兩個方程，約去P和N，得到第二個運(yùn)動方程： (2.6)設(shè)（是擺桿與垂直向上方向之間的夾角），假設(shè)與1（單位是弧度）相比很小，即1，則可以進(jìn)行近似處理： 用u 代表被控對象的輸入力F ，線性化后兩個運(yùn)動方程如下： (2.7)對方程組(2.7)進(jìn)行拉普拉斯變換，得到 (2.8)注意：推導(dǎo)傳遞函數(shù)時假設(shè)初始條件為0。由于輸出為角度，求解方程組(2.8)的第一個方程，可以得到： (2.9)把上式代入方程組(2.8)的第二個方程，得到： (2.10)整理后得到傳遞函數(shù)： (2.11) 其中： 2.1.2 實

12、際系統(tǒng)模型把實際參數(shù)代入，可以得到系統(tǒng)的實際模型。 擺桿角度和位移的傳遞函數(shù)： (2.12)擺桿角度和加速度之間的傳遞函數(shù)為： (2.13)擺桿角度和所受外界作用力的傳遞函數(shù)： (2.14)以外界作用力作為輸入的系統(tǒng)狀態(tài)方程： (2.15)以擺桿加速度作為輸入的系統(tǒng)狀態(tài)方程： （2.16）2.2 PID算法分析PID控制就是對偏差信號進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，形成的一種控制規(guī)律。在模擬控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-2所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。圖2-2模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin

13、(t)與實際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差 error(t)=rin(t)-yout(t) PID的控制規(guī)律為： (2.17)也可以寫成傳遞函數(shù)的形式 (2.18)其中，比例系數(shù)，積分時間常數(shù)；微分時間常數(shù)。簡單的說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號error(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動

14、作速度，減少調(diào)節(jié)時間。2.2.2 數(shù)字PID控制計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即： (2.19) 可以得到離散PID表達(dá)式： (2.20) 式中，T為采樣周期，k為采樣序號，k=1，2，error(k-1)和error(k)分別為第(k-1)和第k時刻所得的偏差信號。位置式PID控制系統(tǒng)如下圖2-3所示：圖2-3 位置式PID控制系統(tǒng)上述PID控制算法的缺點(diǎn)是：由于采用全量輸出，所以每

15、次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對error(k)量進(jìn)行累加，計算機(jī)輸出控制量u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u(k)可能會出現(xiàn)大幅度的變化。u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況是在實際生產(chǎn)中不允許的，在某些場合還可能造成重大事故。為避免這種情況的發(fā)生，可以采用增量式PID控制算法。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量（例如驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)）時，應(yīng)采用增量式PID控制。根據(jù)遞推原理可以得到： (2.21)增量式PID控制算法：由于控制算法中不需要累加，控制增量u(k)僅與最近k次的采樣有關(guān)，所以誤動作時影響小，而且較為容易的通過加權(quán)處理獲的比較好

16、的控制效果。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制是通過計算機(jī)程序來實現(xiàn)的，因此它的靈活性很大。一些原來在模擬PID控制器中無法實現(xiàn)的問題，在引入計算機(jī)以后，就可以得到解決，于是產(chǎn)生了一系列的改進(jìn)算法，形成非標(biāo)準(zhǔn)的控制算法，以改善系統(tǒng)的品質(zhì)，滿足不同的控制系統(tǒng)的需要。3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總體框圖為了使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能，本設(shè)計采用一種功能強(qiáng)大的、高速低功耗性價比高的飛思卡爾單片機(jī)MK60FX512VLQ15完成對其他部分控制。本設(shè)計采用增量式角度編碼器對擺桿的傾斜角度的采集數(shù)據(jù)，飛思卡爾單片機(jī)正交解碼數(shù)據(jù)處理后，通過數(shù)據(jù)分析控制電機(jī)驅(qū)動電路，使直流減速電機(jī)直接控制

17、小車的狀態(tài)，控制小車上擺桿使其自理，總體框圖如圖3-1所示。電 源飛思卡爾單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動模塊直流電機(jī)角度編碼器圖3-1 系統(tǒng)總體框圖3.1.2 主控系統(tǒng)電路原理圖單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時鐘振蕩電路等電路，此單片機(jī)最小系統(tǒng)擴(kuò)展板如圖3-2所示：圖3-2 主控系統(tǒng)電路原理圖本主控電路采用飛思卡爾MK60FX512VLQ15單片機(jī)，MK60FX512VLQ15浮點(diǎn)性能運(yùn)算能力高，速度快，超頻最快可以達(dá)到250M。3.1.3 電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖驅(qū)動模塊四個MOS管構(gòu)成全橋作為電機(jī)驅(qū)動模塊，具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，其響應(yīng)頻率高原理如下圖3-3。圖3-3 電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖3.1.4傳

18、感器模塊電路原理圖增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動，當(dāng)來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。增量式編碼器軸旋轉(zhuǎn)時，有相應(yīng)的相位輸出。其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)量的增減，需借助后部的判向電路和計數(shù)器來實現(xiàn)。其計數(shù)起點(diǎn)可任意設(shè)定，并可實現(xiàn)多圈的無限累加和測量。還可以

19、把每轉(zhuǎn)發(fā)出一個脈沖的Z信號，作為參考機(jī)械零位。當(dāng)脈沖已固定，而需要提高分辨率時，可利用帶90度相位差A(yù)，B的兩路信號，對原脈沖數(shù)進(jìn)行倍頻。編碼器如圖3-4。圖3-4 增量式編碼器3.1.5電源模塊電路原理圖供電電源采用大容量鋰電池12V電源供電，運(yùn)用集成穩(wěn)壓器L2940進(jìn)行降壓穩(wěn)壓作為5V為傳感器等模塊供電，輸入端的電容為輸入端濾波電容，輸出端的電容為輸出端濾波電容，3.3V電源采用lm1117穩(wěn)壓芯片將5V電壓穩(wěn)壓為3.3V為單片機(jī)供電，具體電源原理圖如圖3-5所示。圖3-5 電源模塊電路原理圖3.2程序的設(shè)計3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路根據(jù)題目要求軟件部分主要控制電機(jī)方向和速度，驅(qū)動電

20、機(jī)帶動小車使擺桿擺動直立，控制擺桿的擺動角度實現(xiàn)倒立的功能，并通過光電開關(guān)使小車循跡完成按規(guī)定行走。通過自鎖開關(guān)可切換功能，使題目要求基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分功能能通過一個主控處理器實現(xiàn)。3.2.2程序設(shè)計主程序流程圖如圖3-6初始化讀取角度編碼器的值單片機(jī)處理讀到的A/D數(shù)據(jù)控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動擺桿是否符合要求否結(jié)束是圖3-6 主程序流程圖4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1）我們用秒表計算擺桿倒立的時間。2）用不同重量的砝碼撞擊擺桿，測速擺桿抗干擾能力，并記錄實驗數(shù)據(jù)。3）用秒表測試走直線和規(guī)定路線所用的時間。4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且

21、檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，恒溫電烙鐵等。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 基本要求（1）測試結(jié)果測試次數(shù)時間第1次20S以上第2次20S以上第3次20S以上第4次20S以上第5次20S以上第6次20S以上第7次20S以上第8次20S以上第9次20S以上第10次20S以上基本要求（2）測試結(jié)果次數(shù)砝碼重量時間第1次10g10S以上第2次10g10S以上第3次20g10S以上第4次20g10S以上第5次30g5S以上第6次30g5S以上第7次30g10S以上第8次30g10S以上第9次40g5S以上第10次40g5S以上基本

22、功能（3）測試結(jié)果測試次數(shù)時間距離第1次100S15CM第2次100S15CM第3次100S22CM第4次100S16CM第5次100S25CM第6次100S28CM第7次100S30CM第8次100S46CM第9次100S35CM第10次100S43CM4.3.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試，由此可以得出以下結(jié)論：經(jīng)過本次試驗結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)性能的因素除電路設(shè)計外，主要還有還有以下幾點(diǎn)：1）角度傳感器的精度，對其檢測效果的影響很大。2）控制算法，PID 參數(shù)直接決定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的控制精度。綜上所述，本設(shè)計還有待改進(jìn)。5.設(shè)計總結(jié)經(jīng)過幾天的辛勤努力，本設(shè)計實現(xiàn)了題目的部分要求。在

23、硬件上我們應(yīng)用到傳感器的調(diào)制技術(shù)，用PWM 技術(shù)的使用則解決了電動機(jī)驅(qū)動的效率問題；在軟件上，我們靈活使用飛思卡爾單片機(jī)，使它完成了直流減速電機(jī)的驅(qū)動和傳感器的使用，完成了題目的部分要求。但由于時間緊，任務(wù)重，對PID算法不是很深入的了解，所以導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，沒辦法實現(xiàn)部分功能。本次競賽極大的鍛煉了我們各方面的能力，雖然我們遇到了很多困難和障礙，但總體上成功與挫折交替，困難與希望并存，我們將繼續(xù)努力爭取更大的進(jìn)步。參考文獻(xiàn)1徐德鴻譯:開關(guān)電源設(shè)計指南M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.5.2耿文學(xué)譯:開關(guān)電源手冊M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.03.3楊旭等.開關(guān)電源技術(shù)M.北京:機(jī)械

24、工業(yè)出版社,2004.03.4張衛(wèi)平等.開關(guān)變換器的建模與控制M.北京:中國電力出版社,2006.01.5周志敏.周紀(jì)海.開關(guān)電源實用技術(shù)與應(yīng)用M.北京：人民郵電出版社，2003:15176丁道宏.電力電子技術(shù)M.北京：航空工業(yè)出版社，1995:2182237占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計M.北京：電子工業(yè)出版社，1999:1761848賢興.新型智能開關(guān)電源技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003:253255.9白志剛.自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定 . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社2013.3附錄1：電路原理圖附錄2：程序主函數(shù) #include include.h#include LQ18T.

25、h#define turnleft C#define turnright D#define turnup A#define turndown B#define turnstop Fuint8 flag_REC=0; uint8 toothbuff3;/串口接收uint8 flager,NUMBER=0;int Turn_Need=0,Speed_Need=0;extern s16 real_L,real_R;extern float P,D,P2,D2,accL,accR;extern float I_1,I_2;extern s16 angle_bai,speed_motor,speed_b

26、ai,SPEED,angle_motor;uint8 function=2;void BlueToothC(void);void jiben12(void);void jiben3(void);void fahui12(void);void jiben12(void) FTM2_CNT=0; function=1;/ P=3.633,D=43.3,I_1=0.000; D2=0.06,P2=0.24,I_2=0.000027; pit_init_ms(PIT3,5); enable_irq (PIT3); while(angle_bai!=BALANCE); /擺到指定角度起擺。/擺至指定位置后開始起擺。 delayms(100); P2=20.00;D2=0;I_2=0;/在這里改電機(jī)環(huán)參數(shù) P=45.233;D=3162.3;/這里改擺桿環(huán)參數(shù) while(1);void jiben3(void) FTM2_CNT=0; function=3; pit_init_ms(PIT3,5); enable_irq (PIT3); while(angle_bai!=BALANCE) BlueToo