2013年全国大学生电子设计大赛设计报告
2013全国大学生电子设计大赛
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简易旋转倒立摆及控制装置（C题）
2013年9月6日
2013全国大学生电子设计大赛
摘要
本设计以飞思卡尔K60单片机为控制核心，飞思卡尔K60单片机是一
款高性价比的单片机，10 种带有功率和时脉闸控的低功耗模式，可优化外围设备活动和恢复时间。停止电流
256 KB-1 MB闪存。快速接入、高可靠性具备四级安全保护 64 KB-128 KB SRAM FlexMemory：32 字节 - 16 KB 用户可分段的字节写入/清除 EEPROM，适用于数据表/系统数据。 EEPROM 具有超过 10M 的周期和 70 μsec 写入时间的闪存（出现电力故障时不会发生数据丢失或损坏）。没有用户或系统干预便可完成编程和清除功能，完全运行状态下可降至
1.71V。此外，从 256KB-512KB 的 FlexNVM 还适用于额外编程代码、数据或 EEPROM 备份
多达四种可配置分辨率的高速16位ADC。可采用单路或差分输出模式
改善噪声抑制。可编程延迟块触发功能转换时间可达500 ns
多达两个12位DAC可用于音频应用模拟波形生成
具有 3 个高速比较器，通过将 PWM 保持在安全状态，提供快速准确
的电机过电流保护。
多达四个64倍可编程增益放大器用于小型振幅信号转换
模拟基准电压为模拟块、ADC 和 DAC 提供精确的基准值，可以替换
外部基准电压，降低系统成本。
关键词：K60单片机；角位移传感器器；PWM调速。
Abstract: The design of the fly think of Carle K60 single chip
microcomputer as control core, fly think of Carle K60 MCU is
a cost-effective single-chip microcomputer, 10 with power and clock gating low-power mode, can optimize the peripheral activities
and recovery time. Stop the current
current
Low leakage wake-up unit, with 8 built-in module and 16 pins, aslow leakage stop (LLS) / ultra low leakage stop (VLLS) wakesource
model. Continue to run low-power timer support system in a low-power state. This kind of single chip has the following characteristics:
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EEPROM has a cycle longer than 10M and 70 μ sec write time
flash (data loss or damage will not occur during power failure). No user intervention or system can complete the programming and clearance
function, complete state can be reduced to 1.71V operation. In addition, from the 256KB-512KB FlexNVM can also be applied to additional programming code, data backup or EEPRO
As many as two 12 bit DAC can be used for audio application
simulation waveform generation
With 3 high speed comparator, the PWM remains in a safe
state,provide fast and accurate overcurrent protection.
As many as four to 64 times the programmable gain amplifier is used to convert a small amplitude signal
Simulation of voltage reference for simulation block, ADC and
DAC provide accurate reference value, can replace
the externalreference voltage, reduce the cost of system.
Keywords: K60 microcontroller; rotary encoder; PWM control.
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目录
摘要 ........................................................................................................................................... 2
目录 ........................................................................................................................................... 4
1 设计任务与要求 ................................................................................................................. 6
1.1设计任务 ......................................................................................................................... 6
1.2设计要求 ......................................................................................................................... 6
2方案比较与论证 .................................................................................................................... 6
2.1方案设计 ......................................................................................................................... 6
2.2方案论证 ......................................................................................................................... 6
2.3总体总结 ......................................................................................................................... 9
3 硬件设计 ............................................................................................................................... 9
3.1 摆杆受力分析 ................................................................................................................ 9
3.2 总体硬件框图 .............................................................................................................. 11
3.3单元电路设计 ............................................................................................................... 11
4 软件设计 ............................................................................................................................. 14
4.1总体软件框图 ............................................................................................................... 15
4.2 主程序 .......................................................................................................................... 15
5 系统调试与测试 ................................................................................................................. 16
5.1 硬件测试 ...................................................................................................................... 16
5.2软件调试 ....................................................................................................................... 16
5.3 软硬件联合调试 .......................................................................................................... 16
6 设计总结 ............................................................................................................................. 16
参考文献 ................................................................................................................................. 17
附录 ......................................................................................................................................... 17
附录A：元器件清单 .......................................................................................................... 17
附录B：程序清单 .............................................................................................................. 18
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前言
纵观本次竞赛的本科组题目，取消了小车类的的控制题目，改为单级倒立摆系统的简单控制题目。未接触倒立摆时，一直认为该系统只是一种简单的物理运动控制。在本科组竞赛题目出来时，就开始查阅大量的关于倒立摆的资料后，才发现倒立摆系统对我们来说是一种新鲜的事物。我们就开始到倒立摆领域进行了一定的了解，由于电机控制的方法已经有了一定的积累，再加上倒立摆对我们来说是一种新事物。所以，我们选择了简易旋转倒立摆控制。
倒立摆的研究具有重要的工程背景：
（1） 机器人的站立与行走类似双倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世至今已有三十年的历史，机器人的关键技术——机器人的行走控制至今仍未能很好解决。
（2）在火箭等飞行器的飞行过程中，为了保持其正确的姿态，要不断进行实时控制。 通信卫星在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时，要保持其稳定的姿态，使卫星天线一直指向地球，使它的太阳能电池板一直指向太阳。
（3）侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图像质量产生很大的影响，为了提高摄像的质量，必须能自动地保持伺服云台的稳定，消除震动。
（4） 为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭(多级火箭)， 其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。由于倒立摆系统与双足机器人，火箭飞行控制和各类伺服云台稳定有很大相似性，因此对倒立摆控制机理的研究具有重要的理论和实践意义。
倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用
来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。
对倒立摆这样的一个典型被控对象进行研究，无论在理论上和方法上都具有重要意义。不仅由于其级数增加而产生的控制难度是对人类控制能力的有力挑战，更重要的是实现其控制稳定的过程中不断发现新的控制方法，探索新的控制理论，并进而将新的控制方法应用到更广泛的受控对象中。各种控制理论和方法都可以在这里得以充分实践，并且可以促成相互间的有机结合。
本系统通过K60单片机控制电机，角位移传感器捕捉摆杆的摆动姿态，反馈给单片机，再通过单片机调整旋转臂的转速和方向，摆杆达到符合要求的姿态。K60单片机价格相对低廉，功耗很低，性能远远优于51系列单片机，对于初学者运用较为成熟，控制电机的各种方法掌握比较熟练。熟悉的单片机控制电机和不熟悉的倒立摆系统，对于我们来说，既能牢固地掌握已知的方法和思想，又能探索新的领域，做到温故知新而创新。
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1 设计任务与要求
1.1设计任务
简易旋转倒立摆装置控制结构：
（1） 单片机模块
（2） 电机驱动模块
（3） WDD35D4角位移传感器模块
（4） 电源模块
1.2设计要求
（1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）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°；
（2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周动；
（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动角度不大于90°。
2方案比较与论证
2.1方案设计
根据题目的要求和组内讨论，本设计采用了K60单片机为控制核心，采用BTS7970智能功率芯片驱动电机，WDD35D4角位移传感器测量摆杆的摆动角度，主要用12V/6800mAh的锂电池给电机供电。单片机控制电机转动的速度和方向，由旋转臂带动摆杆摆动，WDD35D4角位移传感器测量摆杆的摆动姿态，并以电信号的形式反馈给单片机，用来调整电机转速。
2.2方案论证
传感器模块（捕获摆杆的姿态反馈单片机）
方案一 三轴陀螺仪mpu6050 或(加速度传感器MMA7455)
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三轴陀螺仪mpu6050容易实现对角度的测量，而且灵敏度比较高，但是此款传感器本身也有一定的重量，摆杆在摆动的过程中也无法克服线路缠绕的问题，严重干扰摆杆的摆动，无法使摆杆达到要求的姿态。
方案二 角位移传感器 角位移传感器原理：是位移传感器的一种型号，采用非接触式设计，与同步分析器和电位计等其它传统的角位移测量仪相比，有效地提高了长期可靠性。它的设计独特，在不使用诸如滑环、叶片、接触式游标、电刷等易磨损的活动部件的前提下仍可保证测量精度。
角位移传感器特点：
该传感器采用特殊形状的转子和线绕线圈，模拟线性可变差动传感器（LVDT）的线性位移，有较高的可靠性和性能，转子轴的旋转运动产生线性输出信号，围绕出厂预置的零位移动±60（总共120）度。 此输出信号的相位指示离开零位的位移方向。转子的非接触式电磁耦合使产品具有无限的分辨率，即绝对测量精度可达到零点几度。
由于角位移传感器的非接触式设计，很好地解决了旋转臂与摆杆之间的摩擦问题，更好地实现了对摆杆各种姿态的控制。而且实现了将摆杆的姿态以电信号的形式反馈给单片机。更重要的是角位移传感器的类似滑轮的结构也解决了上述绕线的难题，这里选择方案二。
调速模块
方案一：串电阻调速系统。
方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。
方案三：脉宽调速系统（PWM）。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此不予采用。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的
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单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：
（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装 置效率较高。
根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。
PWM调速原理
在数控机床的直流伺服系统中,速度调节主要通过改变电枢电压的大小来实现.经常采用晶闸管相控整流调速或大功率晶体管脉宽调制调速两种方法,后者简称PWM,常见于中小功率系统,它采用脉冲宽度调制技术,其工作原理是:通过改变
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
由于该简易倒立摆系统需要电机的精确控制，PWM调制来控制电机，低速性能好，精度高，工作稳定，抗干扰能力强，调速范围宽。来控制旋转臂的电机必
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须要具备以上性能，才能很好地控制摆杆完成各种要求的姿态。
综合考虑系统的各项性能，最后我们决定采用PWM调速系统。
2.3总体总结
根据题目的要求和组内讨论，我们的简易旋转倒立摆控制装置采用STC-12系列中的K60单片机，其设计主要用12V/6800mAh的锂电池，能稳定安全地给电机供电；由于单片机输出的电流有限，无法直接驱动电机工作，因此需要通过专业的电路进行驱动，只要单片机给出相应的控制信号，便可控制电机工作。以K60为控制核心，采用BTS7970智能功率芯片驱动电机，WDD35D4角位移传感器测量摆杆的摆动角度，主要用12V/6800mAh的锂电池给电机供电。单片机控制电机转动的速度和方向，由旋转臂带动摆杆摆动，WDD35D4角位移传感器测量摆杆的摆动姿态，并以电信号的形式反馈给单片机，用来调整电机转速，使摆杆完成题目要求的各种姿态。
3 硬件设计
3.1 摆杆受力分析
简易旋转倒立摆模型由一个旋转臂和一个摆杆组成, 其坐标系如图1，所示。这是一个二自系统, 转动杆绕z 轴水平转动, 以使摆杆进入工作状态。所谓工作状态, 就是摆相对于不稳定平衡点为θ1=0,摆杆的θ1角保持在一定的范围内。在摆起前,摆杆处于下垂静止状态。
设J0 为水平杆对z 轴的转动惯量, l0 为转动杆长, Jc1 为摆杆对质心C1 的转动惯量, m1 为摆杆质量, l1 和lc1 分别为摆杆长度和摆杆质心C1 到转轴O1的距离, u 为控制力矩; 并设F0 和F1分别为转动杆和摆杆的阻力矩系数, θ0和θ1 分别为转动杆和摆杆的广义坐标, θ0和θ1分别为转动杆转角和角速度, θ1和θ0 分别为摆杆转角和角速度。
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圆轨单级倒立摆为二自由度系统, 转动杆为定轴转动, 摆杆为空间一般运动, 整个系统运动由广义坐标θ1和θ0表示。通过齐次坐标变换可获得系统总动能( 包括平动动能和转动动能)
图1
T=1Jω2
200
1
1[2(θ1)2+(lc1ω0)2+2 lc1ω1 2−4l0lc1ω0ω1cosθ1−(lc1ω0)2cos(2θ1)]+ 2Jc1(ω12+ω02 sin2θ1)
耗散功率 D=F0ω02+F1ω12 2211
由拉朗格日方程
可列出系统运动微分方程组
d∂Tdt∂θ-∂T∂θ+∂D∂θ=0 j=0,1
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