13年电子设计竞赛报告

2013年C题 简易旋转倒立摆及控制装置

（本科组）

本系统以stm32F103RBT6单片机为控制核心，通过步进电机带动旋转臂，再通过转轴带动摆杆来实现摆杆的运动。

简易旋转倒立摆及控制装置

摘要：本装置以stm32FRBT6103单片机为控制核心，用配套的24V直流电源模块给驱动模块供电来驱动步进电机，通过联轴器带动旋转臂，再通过转轴带动摆杆来实现一系列的功能。该系统由单片机、步进电机、步进电机驱动模块、24V直流电源模块、5V直流电源模块、机械装置和传感器模块组成。步进电机与机械装置之间通过联轴器紧密连接。安装在旋转臂末端的高精度角位移传感器将摆杆的位置信息经过AD转换后传给单片机。本系统具有调整速度快、精度高、稳定性好等优点，能够很好地符合题目的要求。

关键词：旋转倒立摆stm32F103RBT6单片机 步进电机 角位移传感器 AD转换

Abstract:The device uses stm32F103RBT6 MCU as control core, and uses 24V DC power supply module matching to the drive module power supply to drive the stepper motor, driven by coupling rotating arm, and then the pendulum rod to achieve a series of functions through the rotating shaft drives. The system is composed of MCU, stepper motor, stepper motor drive module, 24V DC power supply module, 5V DC power supply module, a mechanical device and the sensor module. Between the stepper motor and mechanical device closely connected by coupling. High precision angular displacement sensor mounted on the rotating arm at the end of the pendulum rod position information to the microcontroller through the AD conversion. This system has the advantage of fast regulating speed, high precision, good stability, and can well meet the requirements of the subject.

一、系统方案

1.系统结构：简易旋转倒立摆及控制装置系统由单片机、电机、电机驱动模块、直流电源模块、传感器模块和机械装置等组成。机械装置如下图所示

转轴

摆杆

图1 机械装置图

2.方案论证与比较

2.1电机部分

方案一：采用型号为S3010的舵机作为机械部分的动力部件，系统框图如图2所示。单片机根据传感器传输回来的信息控制舵机的方向和转速，从而使摆杆运动。

图2 方案一结构框图

这种方案结构较为简洁，而且的小型舵机容易控制。但是这种电机产生的扭转力矩太小，不足以带动旋转臂顺利旋转，无法完成题目的要求，故此方法应舍弃。 方案二：采用型号为57HD5401-25B/8的步进电机来带动旋转臂运动，系统框图如图3所示。用24V直流电压给步进电机的驱动模块供电，原理同上。

图3 方案二结构框图 此方案虽然结构复杂，但是这种步进电机能够提供足够的扭转力矩带动旋转臂摆动，而且摆动起来之后效果较上一方案的舵机好，其调整速度快、精度高且稳定性好。

综上所述比较可知，方案二既可满足题设基本要求又能充分发挥扩展部分，电机易于控制，所以采用该方案。

2.2传感器部分：

方案一：采用加速度计与陀螺仪传感器。将加速度计与陀螺仪传感器模块固定在摆杆末端后通过引线将某一时刻摆杆的位置信息传给单片机。

图4 加速度计与陀螺仪传感器

加速度计与陀螺仪传感器由于是固定在摆杆末端，摆杆摆动时会比较吃力，而且阻力较大；加上引线之后由于摆杆的往复摆动会造成引线缠绕在旋转臂上，阻碍旋转臂的运动。

方案二：采用角位移传感器。角位移传感器固定在旋转臂的末端，通过转轴与摆杆连接。同样，将角位移传感器上的三个引线端口接到单片机上。

角位移传感器固定在旋转臂的末端，不会对摆杆及其摆动造成任何影响；与加速度与陀螺仪传感器不同的接线和连接方式，免去了绕线造成的影响；而且角位移传感器能将摆杆的位置信息转换成角度的形式实时地传给控制装置，使用起来比较方便。

综上所述，采用角位移传感器能够比较准确地将摆杆的信息反馈给上级控制装置，准确性和可靠性都明显优于加速度计与陀螺仪传感器，故在传感器选择方面我们选择角位移传感器。

二、理论分析与计算

2.1.电动机选型

要准确地控制摆杆的运动，电动机的选型是关键。

2.1.1考虑到角位移传感器的重量，需要在旋转臂上角位移的对立端适当加些重物以平衡旋转臂。如此一来，加在电动机轴上的重量就很大，所以就需要选用扭转力矩比较大的电动机。

2.1.2一般的舵机或直流电动机加上很小的电压就很容易转动起来，但考虑到本题的特殊性，直流电机转动起来后不容易让它根据我们需要的方式运行；而步进电机在这方面就优于直流电机了，步进电机内部结构的特殊性决定了它运行的特殊性，而且运行起来很稳定，调节也比较方便。

所以，基于本题目，本系统动力设备方面我们选择型号为57HD5401-25/B的步进电机。

2.2.摆杆状态检测

角位移传感器采集到的是模拟信号，其测试范围是0~~4100，最低点对应的是0，对应方式是逆时针从0到4100，由于模拟信号在圆周上是均匀分布的，所以每一个刻度对应的角度应该是360/4100=0.0878度，这样通过单片机显示屏上的模拟量的显示就可以知道摆杆的角度位置了。如图5所示

307541000

图5摆杆位置状态图

2.3.驱动与控制算法

2.3.1驱动：由于动力设备选择了型号为57HD5401-25/B的步进电机，所以驱动模块我们就选择与之配套的高细分步进电机驱动器，并且要用24V直流电源供电。具体接法是24V直流电源接DC+、DC-，单片机接脉冲和方向，脱机接线口悬空，公共端接+5V，A+、A-、B+、B-接步进电机，S1~S6为模式选择开关。实物图如图6所示。

图6步进电机驱动器实物图

2.3.2控制算法(这里我们选择的是PID算法)

(1)在PID算法中，P 指是比例（Proportion），I 指是积分（Integral），D 指微分（Differential）。在电机调速系统中，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正（PID 算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。

(2)由各个参数的控制规律可知，比例 P 使反应变快，微分 D 使反应提前，积分I 使反应滞后。在一定范围内，P，D 值越大，调节的效果越好。

(3)PID 调试一般原则：

a. 在输出不振荡时，增大比例增益 P。

b. 在输出不振荡时，减小积分时间常数 Ti。

c. 输出不振荡时，增大微分时间常数 Td。

(4)参数调整一般步骤

a.确定比例增益 P

确定比例增益 P 时，首先去掉 PID 的积分项和微分项，一般是令 Ti=0、Td=0， PID 为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的 60%~70%，由 0 逐渐加大比例增益 P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益 P 逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益 P，设定 PID 的比例增益 P 为当前值的60%~70%。比例增益 P 调试完成。

b.确定积分时间常数 Ti

比例增益 P 确定后，设定一个较大的积分时间常数 Ti 的初值，然后逐渐减 小 Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大 Ti，直至系统振荡消失。 记录此时的 Ti，设定 PID 的积分时间常数 Ti 为当前值的 150%~180%。积分时间常数 Ti 调试完成。

c.确定积分时间常数 Td

积分时间常数 Td 一般不用设定，为 0 即可。若要设定，与确定 P 和 Ti 的方 法相同，取不振荡时的 30%。

d.系统空载、带载联调，再对 PID 参数进行微调，直至满足要求

三、电路与程序设计

1.

2.

四、测试方案与测试结果

1.

2.

五、总结

参考文献