倒立擺系統(tǒng)的擺動控制

1、<p><b>　　河南理工大學</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　專業(yè)班級 自動化11-03班 學生姓名 胡長坤 </p><p>　　一、題目 倒立擺系統(tǒng)的擺動控制 </p

2、><p>　　二、起止日期 年 月 日至 年 月 日</p><p><b>　　三、主要任務與要求</b></p><p>　　設計并制作一套簡易旋轉倒立擺及其控制裝置。</p><p>　?。?）擺桿從出于自然下垂狀態(tài)開始，控制旋轉臂作往復旋轉運動，盡快使擺

3、桿倒立，保持倒立狀態(tài)時間不少于10s；</p><p>　?。?）在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或2s內恢復倒立狀態(tài)；</p><p>　?。?）在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉臂作圓周運動，并盡快使單方向轉過的角度達到或超過360度。</p><p>　　指導教師 職稱 </p><p

4、>　　學院領導 簽字（蓋章）</p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　河南理工大學</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）評閱人評語</p><p>　　題目

5、 </p><p>　　評 閱 人 職稱 </p><p>　　工作單位 </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　河南理工大

6、學</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）評定書</p><p>　　題目 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p><b>　　年 月

7、 日</b></p><p><b>　　河南理工大學</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）答辯許可證</p><p>　　答辯前向畢業(yè)設計答辯委員會（小組）提交了如下資料：</p><p>　　1、設計（論文）說明 共 頁</p><

8、;p>　　2、圖紙 共 張</p><p>　　3、指導教師意見 共 頁</p><p>　　4、評閱人意見 共 頁</p><p>　　經審查， 專業(yè)

9、 班 同學所提交的畢業(yè)設計（論文），符合學校本科生畢業(yè)設計（論文）的相關規(guī)定，達到畢業(yè)設計（論文）任務書的要求，根據(jù)學校教學管理的有關規(guī)定，同意參加畢業(yè)設計（論文）答辯。</p><p>　　指導教師 簽字（蓋章）</p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　根據(jù)審查，準

10、予參加答辯。</p><p>　　答辯委員會主席（組長） 簽字（蓋章）</p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　河南理工大學</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）答辯委員會（小組）決議</p><p>　　

11、學院 專業(yè) 班 </p><p>　　同學的畢業(yè)設計（論文）于 年 月 日進行了答辯。</p><p>　　根據(jù)學生所提供的畢業(yè)設計（論文）材料、指導教師和評閱人意見以及在答辯過程中學生回答問題的情況，畢業(yè)設計（論文）答辯委員會（小組）做出如下決議。</p><p>　　一、畢

12、業(yè)設計（論文）的總評語</p><p>　　二、畢業(yè)設計（論文）的總評成績： </p><p>　　三、答辯組組長簽名：</p><p><b>　　答辯組成員簽名：</b></p><p>　　答辯委員會主席： 簽字（蓋章）</p><p><

13、;b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　倒立擺系統(tǒng)是一種多變量、高階次、強耦合非線性的自然恒不穩(wěn)定系統(tǒng)，控制比較復雜，但它能較好地體現(xiàn)出系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性和抗干擾能力，因此應用非常廣泛，例如航天領域里的火箭空中姿態(tài)調整、衛(wèi)星太空中飛行姿態(tài)控制，機器人領域里機器人的自身平衡，另外智能平衡小車、

14、工業(yè)控制、 軍工等領域各類復雜的控制系統(tǒng)，往往也都是利用倒立擺的控制方法來實現(xiàn)。倒立擺已經成為測試控制理論是否有效的試金石， 也是產生新的控制方法的基礎平臺。</p><p>　　本設計利用 32 位低功耗嵌入式芯片 STM32 作為主控制器、以增量 PID 和慣性起擺為控制算法的解決思路。通過連續(xù)多次采樣角度傳感器 WDD35D4，STM32將獲取的數(shù)值進行增量 PID 計算并產生 PWM 信號，使 TB656

15、0能夠快速、平滑地驅動伺服電機，實現(xiàn)擺桿進入穩(wěn)定的倒立狀態(tài)。實踐表明，該倒立擺穩(wěn)定、可靠、運行平滑、抗干擾能力強，具有低成本、 低功耗等優(yōu)點。</p><p>　　【 關 鍵 詞 】 旋轉倒立擺; WDD35D4;STM32; PID; 慣性起擺; TB6560; 連續(xù)采樣; </p><p><b>　　Abstract</b></p><p&g

16、t;　　Inverted pendulum system is a multivariable, nonlinear and strong coupling nonlinear natural constant unstable system, control is more complex, but it can better reflect the system stability, controllability and anti

17、-interference ability. Therefore, the application of Inverted pendulum system is very extensive, such as in the field of aerospace rocket flight attitude adjustment, satellite in space flight attitude control, in the fie

18、ld of robot self-balance, also all kinds of complicated control </p><p>　　This design uses 32 bit low power embedded chip STM32 as the main controller, with the incremental PID and inertial pendulum as the c

19、ontrol algorithm to solve the idea. By repeatedly sampling angle sensor WDD35D4, STM32 obtained numerical of incremental PID calculation and PWM signal generation and enable TB6560 capable of fast and smooth to drive the

20、 stepper motor, the pendulum rod to stabilize the inverted state. The practice shows that the inverted pendulum is stable, reliable, smooth, anti-i</p><p>　　Key words: Rotary inverted pendulum,WDD35D4, STM32

21、, PID, Continuous sampling.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>

22、　　2 自由擺模型控制方案的選擇2</p><p>　　2.1 PID控制方案2</p><p>　　2.2 機理建模方案3</p><p>　　3 電子器件的選型5</p><p>　　3.1 微處理器選型5</p><p>　　3.2 電機的選型5</p><p>　　3.3 角

23、度傳感器的選型5</p><p>　　3.4 電源的選型6</p><p>　　3.5 驅動模塊選型7</p><p>　　3.6 濾波方式選擇7</p><p>　　4 硬件部分設計8</p><p>　　4.1 STM32最小系統(tǒng)設計8</p><p>　　4.1.1 供電電路

24、8</p><p>　　4.1.2 時鐘電路10</p><p>　　4.1.3 復位電路10</p><p>　　4.1.4 下載電路11</p><p>　　4.1.5 啟動電路11</p><p>　　4.2 其他相關電路設計12</p><p>　　4.2.1 AD采樣電路：

25、12</p><p>　　4.2.2 LED指示電路：12</p><p>　　4.3 角度傳感器模塊14</p><p>　　4.4 開關電源15</p><p>　　4.5 TB6560步進電機驅動器介紹17</p><p>　　4.5.1 驅動器接口和接線17</p><p>　

26、　4.5.2 驅動整體參數(shù)設置20</p><p>　　5 軟件部分設計22</p><p>　　5.1 WDD35D4程序設計24</p><p>　　5.2 電機控制25</p><p>　　5.2.1 起擺程序設計25</p><p>　　5.2.2 微調程序設計25</p><p

27、>　　6 總結與展望27</p><p><b>　　致謝28</b></p><p><b>　　參考文獻29</b></p><p>　　附錄一：STM32最小系統(tǒng)控制板電路圖31</p><p>　　附錄二：STM32整體電路圖32</p><p>　　

28、附錄三：展示用供電電源整體電路圖33</p><p>　　附錄四：控制系統(tǒng)核心程序34</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　目前，國內外對于倒立擺系統(tǒng)的控制方法研究可以總結如下：</p><p><b>　　1 ）PID控制。</b></p><p&

29、gt;　　通常的做法是通過對倒立擺系統(tǒng)物理模型進行力學分析，建立其動力學模型，設計出PID控制器實現(xiàn)穩(wěn)定控制。但是由于PID參數(shù)的選擇通常采用嘗試法進行，根據(jù)設計者的經驗不斷嘗試設定，因此往往不能從推理上給出令人滿意的設計方案。</p><p>　　2 ）可拓控制算法。</p><p>　　可拓控制最早是由我國的王行愚教授于1991年提出的，其基本思想是：從信息轉換的角度去處理控制問題，即

30、以控制輸出信息的合格度(關聯(lián)度)作為確定輸入矯正量的依據(jù)，從而使被控信息轉換到合格范圍內。目前國內外對可拓控制的研究還處于初始階段，成果還不是很多，不過已經建立了可拓控制的基本理論和方法，隨著研究的不斷深入，它將會為人們解決復雜控制系統(tǒng)中的難題提供一種有效的方法。</p><p><b>　　3 ）極點配置法。</b></p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能指

31、標很大程度上取決于其閉環(huán)系統(tǒng)的零極點分布情況，因此，進行控制系統(tǒng)設計時，可以根據(jù)對系統(tǒng)性能指標的要求，通過選擇適當?shù)臓顟B(tài)反饋矩陣，使閉環(huán)系統(tǒng)的極點配置在所期望的位置。</p><p>　　4 ）LQR 控制方法。</p><p>　　線性二次型最優(yōu)控制問題即LQR問題，是20世紀60年代發(fā)展起來的一種普遍采用的最優(yōu)控制系統(tǒng)設計方法，它可以歸結為：當系統(tǒng)受擾偏離原平衡狀態(tài)時，通過控制使系統(tǒng)狀

32、態(tài)保持在平衡位置附近，并使控制過程中的動態(tài)誤差和能量消耗綜合最優(yōu)。</p><p>　　5 ）其它智能控制算法。</p><p>　　如模糊控制算法、神經網絡控制算法、遺傳控制算法等。另外，在倒立擺系統(tǒng)實際控制中，也常采用幾種控制算法相結合的控制方式，這樣可以充分利用各控制算法的優(yōu)越性，來實現(xiàn)一種組合式的控制方法。</p><p>　　這些控制方法都各有各的優(yōu)點，同

33、時也各有各的缺點，但總體看來都和PID控制算法離不開關系，都有其相通之處。很多新的設計方法也會產生，但都要經過實踐的檢驗才能真正被廣泛接受與應用。</p><p>　　自由擺模型控制方案的選擇</p><p><b>　　PID控制方案</b></p><p>　　在該設計中，PID算法的設計是很關鍵的一步，算法精確度選取的好壞，直接影響到系統(tǒng)

34、運行的準確性。在比較自適應算法和PID算法后，采用PID算法。</p><p>　　PID控制相應的控制算法式為（2-1）：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中——控制端輸出；</p><p>　　——偏差為零時u的初值；</p><p>　　——調節(jié)器輸入函

35、數(shù)，即給定量與輸出量的偏差；</p><p><b>　　——比例增益；</b></p><p><b>　　——積分時間常數(shù)；</b></p><p><b>　　——微分時間常數(shù)；</b></p><p>　　將上式展開，函數(shù)可以分為比例控制，積分控制和微分控制三部分。核心

36、控制其計算公式一般為離散分量，需要對差分方程作出近似處理后改為式（2-2）：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中 T——采樣周期；K——采樣序號；</p><p>　　和分別為第k-1和第k次控制周期的偏差。</p><p>　　綜合以上幾個公式，可以得出差分公式為（2-3）：<

37、;/p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　其中， e(k) 為目標值與當前值之差， 為比例系數(shù)， 為積分時間常數(shù)， 為微分時間常數(shù)。越大， 系統(tǒng)的靈敏度越高;但是，過大很容易造成輸出振蕩和不穩(wěn)定。 能夠減緩輸出的快速變化， 從而降低超調的影響;但是， 過大也會造成被控物理量在反饋信號急劇變化時難以迅速恢復的問題。 可以根據(jù)信號變化的速率提前給

38、出相應的調節(jié)動作， 從而縮短了調節(jié)時間， 克服因積分時間過長而使恢復滯后的缺陷。</p><p>　　由-得增量PID公式(2-4)：</p><p><b>　　△</b></p><p><b>　　(2-4)</b></p><p><b>　　其中：</b></p

39、><p><b>　　機理建模方案</b></p><p>　　倒立擺的運動方程的建立和分析方法主要有牛頓－歐拉方法和拉格朗日方法。對于旋轉倒立擺，目前多采用拉格朗日方法來獲得系統(tǒng)的運動方程。設 為旋臂長度， 為擺桿質心到支點的距離， 為旋臂與水平 x 軸的夾角，為擺桿與垂直向上方向的夾角， 則非線性運動方程如下: =+

40、 (2-5)</p><p>　　采用角加速度作為輸入， 可以獲得旋轉倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程:</p><p>　　Y=Y + (2-6)</p><p>　　Y=X

41、 (2-7)</p><p>　　根據(jù)旋轉倒立擺的運動方程和空間方程，利用神經網絡、遺傳算法、LQR、模糊控制、分級逼近、根軌跡、頻率響應、魯棒控制、狀態(tài)空間等方法就可以使得擺桿進入倒立狀態(tài)。</p><p>　　相對PID控制方案，機理建模主要依靠理論，不需要有太多的實踐經驗來求取PID參

42、數(shù)。機理建模步驟：建立模型，列寫傳遞函數(shù)，離散化，列差分方程，編寫程序，有理可循。機理建模對實踐經驗較少者是一個不錯的選擇，但是機理建模方案對硬件部分要求甚高，而且建模誤差較大，適合于理論研究。</p><p>　　兩種方案對比可知：采用PID控制方案更好些</p><p><b>　　電子器件的選型</b></p><p><b>

43、　　微處理器選型</b></p><p>　　方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89C51。 51 單片機價格便宜， 應用廣泛， 簡單，實用，資料多 ；但是51單片機運行速度很慢，I/0口的驅動能力弱，功耗比較高，抗干擾能力也不是很強。</p><p>　　方案二：采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機，此款單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單

44、片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。</p><p>　　方案三： 采用 TI 公司的 ARM Cortex-M3 內核處理器芯片STM32F103VCT6作為中央處理器，處理器本身帶有 32 KB 的 bit-banded SRA

45、M 和 96 KB 的 Flash 存儲器，對于一般的控制應用，不需外擴數(shù)據(jù)／程序存儲器。為了達到更好的控制，選擇用此單片機。</p><p><b>　　電機的選型</b></p><p>　　方案一： 采用直流減速電機控制旋轉桿的運動，直流減速電機力矩大，轉動速度快，但其制動能力差，對擺桿倒立時的微控制器能力差。</p><p>　　方案二

46、：采用 42BYJ250—40 5V驅動的2相 4線制的步進電機。它是減速步進電機，體積小，減速比為 1：8，步進角為1.8度。它的主要特性有：步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性，能夠實現(xiàn)精微控制。改變脈沖的順序，可以方便的改變轉動的方向。</p><p>　　方案三，舵機價格偏高，性能易受電壓影響，控制旋轉的角度精確度不高。</p><p>　　鑒于設計要求，故采用方案二。<

47、;/p><p><b>　　角度傳感器的選型</b></p><p>　　角度檢測模塊也是系統(tǒng)的重要組成部分，我們需要利用角度傳感器來測量 </p><p>　　擺桿擺過的角度，該數(shù)據(jù)要傳送給STM32F103VC控制器，經計算確定步進電機的下一個狀態(tài)， 因此要求角度傳感器精度高，頻率快。 </p><p>　　方案一：采用

48、E6A2—CW3C編碼器，該編碼器的轉軸可隨擺桿轉動，并且輸出脈沖，轉軸每轉一圈編碼器輸出500個脈沖，由此可實時測得擺桿轉過的角度。 </p><p>　　方案二：采用角速度傳感器MMA7361，該傳感器輕盈靈便，為多功能應用提供靈活的可選量程：包括 1.5g 和6g，功耗低，開機響應時間短其輸出由X、Y、Z輸出，噪音低、靈敏度高，通過多種端口都可以輸出角度對應的采樣值，但如果只是用單軸時要求重力加速度是必須是

49、矢量。</p><p>　　方案三：為了提高分辨率、 減小機械磨損， 采用非接觸式(無觸點霍爾式)角度傳感器 WDX35D。它具有 360°無盲區(qū)測量、 動態(tài)噪聲小、 12 位分辨率、 旋轉平滑性較好、 線性精度小于0．3%等優(yōu)點。</p><p>　　在滿足設計要求的前提下，考慮到穩(wěn)定性及之前有過這方面的資料等因素,我們選擇了方案三。</p><p>&

50、lt;b>　　電源的選型</b></p><p>　　本設計選擇的是開關電源作為驅動模塊的供電電源，因為開關電源具有變壓器電源不具備的以下優(yōu)點：</p><p><b>　　功耗小，效率高。</b></p><p>　　晶體管V在激勵信號的激勵下，可以交替地工作在導通——截止和截止——導通的開關狀態(tài)，轉換速度很快，由于使用的開

51、關近體館V功耗很小，電源的效率得到了大幅度提高，其效率可達到80%。</p><p><b>　　體積小，重量輕。</b></p><p>　　由于開關電源沒有采用笨重的工頻變壓器，所以又生氣了較大的散熱片，所以開關電源體積可以很小，重量很輕。</p><p><b>　　穩(wěn)壓范圍寬。</b></p><

52、;p>　　從開關穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償。這樣，在工頻電網電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調制型和頻率調制型兩種。開關穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點，而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設計人員可以根據(jù)實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關穩(wěn)壓電源。</p><p

53、><b>　　濾波效率很高。</b></p><p>　　鑒于濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍;即使采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關穩(wěn)壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/500～

54、1/1000。</p><p><b>　　驅動模塊選型</b></p><p>　　驅動模塊是自由擺系統(tǒng)的瓶頸所在。</p><p>　　方案一：采用 L298N 等主流驅動模塊。 由于驅動電流較小， 倒立控制的響應較慢， 不容易保持穩(wěn)定。</p><p>　　方案二：采用TB6560_3A步進電機驅動。TB6560具

55、有以下功能和優(yōu)點：</p><p>　　功能：采用6N137高速光藕，保證高速不失步。內有低壓關斷、過熱停車及過流保護電路，保證最優(yōu)性能。額定最大輸出為：±3A，峰值3.5A。自動半流功能。細分：整步，半步，1/8步，1/16步，最大16細分。</p><p>　　TB6560步進驅動還具有以下優(yōu)點：電流級逐可調，自動半流可調。采用6N137高速光藕，保證高速不失步。電流采樣電阻

56、采用高精度、大功率電阻，保證電機穩(wěn)定運行。</p><p>　　對比可知方案二更好。</p><p><b>　　濾波方式選擇</b></p><p>　　濾波方法有很多種，常用的有卡爾曼濾波，小波濾波，粒子濾波等，但每種濾波都有一定的應用領域，不能不考慮情況就選擇。</p><p>　　本設計的濾波模塊采用的是軟件濾波

57、和硬件濾波相結合方案。在濾波過程中，除了檢測原件即傳感器單元自身帶有的濾波外，在程序中還加入了濾波算法，具體為：去上去下求平均值。鑒于ARM芯片的高處理速度和自身帶有的AD高采樣速率的優(yōu)點，對采樣值進行多次采樣，存儲，然后排序，去掉一定數(shù)目的大值和一定數(shù)目的小值，然后對剩下部分取平均值作為采樣值。</p><p><b>　　硬件部分設計</b></p><p>　　

58、STM32最小系統(tǒng)設計</p><p>　　STM32微處理器不能獨立工作，必須提供外圍相關電路，構成STM32最小系統(tǒng)。STM32最小系統(tǒng)包括四部分：供電電路，復位電路，時鐘電路，下載電路。具體為：3．3V電源、8MHz晶振時鐘、復位電路、數(shù)字和模擬間的去耦電路、調試接口、串行通信接口等電路。</p><p><b>　　供電電路</b></p>&l

59、t;p><b>　　電路圖如圖4-1</b></p><p><b>　　圖4-1供電電路圖</b></p><p>　　平時調試時最小系統(tǒng)供電電源為USB供電，經AMS1117處理后可得3.3V電源供處理器實現(xiàn)其他功能時用。實物展示時用5V直流電源供電。</p><p>　　AMS1117是一個正向壓降穩(wěn)壓器，在1

60、A電流下壓降為1.2伏。固定輸出可為3V , 3.3V ,5V。具有限流功能，過熱切斷功能，低漏失電壓：1A輸出電流是僅為1.2 V。</p><p>　　AMS1117內部框圖如圖4-2：</p><p>　　圖4-2 AMS1117內部框圖</p><p>　　實物展示供電電路設計思路如框圖4-3.</p><p>　　圖4-3 供電電路

61、設計框圖</p><p>　　主要分為變壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、電源指示五個部分。</p><p>　　變壓電路：將交流電網220V的電壓變味所需要的電壓值。</p><p>　　整流電路：將交流電壓變成脈動的直流電壓。濾波電路：由于經過整流的脈動直流電壓還含有較大的紋波，因此需要設計濾波電路加以濾除。</p><p>　　穩(wěn)壓

62、電路：在電網電壓波動、負載和溫度變化時，依然維持輸出直流電壓穩(wěn)定。</p><p>　　電源指示；顯示當前的電路通斷情況，方便了解電源當前的工作狀況。</p><p>　　整體電路圖見附錄三。</p><p><b>　　時鐘電路</b></p><p>　　時鐘電路如圖4-4. </p><p>

63、;<b>　　晶振電路</b></p><p><b>　?。╞）時鐘晶振電路</b></p><p>　　圖4-4 STM32系統(tǒng)板時鐘電路</p><p><b>　　復位電路</b></p><p>　　復位電路如圖4-5。</p><p>　　圖

64、4-5 復位電路圖</p><p><b>　　下載電路</b></p><p>　　下載電路圖如圖4-6。</p><p>　　圖4-6 USB下載電路圖</p><p><b>　　啟動電路</b></p><p>　　啟動電路圖設計如圖4-7</p>&l

65、t;p>　　圖4-7 啟動電路圖</p><p>　　在STM32F10xxx里，可以通過BOOT[1:0] 引腳選擇三種不同啟動模式。根據(jù)選定的啟動模式，主閃存存儲器、系統(tǒng)存儲器或SRAM 可以按照以下方式訪問：</p><p>　　（1）從主閃存存儲器啟動：主閃存存儲器被映射到啟動空間(0x0000 0000)，但仍然能夠在它原有的地址(0x0800 0000) 訪問它，即閃存存

66、儲器的內容可以在兩個地址區(qū)域訪問，0x0000 0000或0x0800 0000。</p><p>　?。?）從系統(tǒng)存儲器啟動：系統(tǒng)存儲器被映射到啟動空間(0x0000 0000)，但仍然能夠在它原有的地址(互聯(lián)型產品原有地址為0x1FFF B000，其它產品原有地址為0x1FFF F000)訪問它。 </p><p>　?。?）從內置SRAM啟動：只能在0x2000 0000 開始的地址

67、區(qū)訪問SRAM。</p><p>　　注意：當從內置SRAM啟動，在應用程序的初始化代碼中，必須使用NVIC的異常表和偏移寄存器，重新映射向量表之SRAM中。 （STM32最小系統(tǒng)電路圖見附錄一）</p><p><b>　　其他相關電路設計</b></p><p><b>　　AD采樣電路：</b></p>

68、<p>　　AD采樣電路如圖4-7。</p><p>　　圖4-7 AD采樣電路圖</p><p>　　此處R66就是WDD35D6的原理圖，具體介紹見3.3角度采樣模塊。</p><p><b>　　LED指示電路：</b></p><p><b>　　如圖4-8。</b></p

69、><p>　　圖4-8 LED電路圖</p><p>　　TFT顯示電路圖如圖4-9</p><p>　　圖 4-9 TFT顯示電路圖</p><p><b>　　角度傳感器模塊</b></p><p>　　WDD35D4模塊原理：</p><p>　　WDD35D4角度傳感器

70、特點如下：</p><p>　　特點：多種電阻值可選，多種線性度可選，導電塑料基體，機械壽命長，動態(tài)噪聲小，分辨率高，進口貴金屬電刷，硬質鋁合金外殼。</p><p>　　WDD35D4接線圖如圖4-10：</p><p>　　圖4-10WDD35D4接線圖</p><p>　　WDD35D4分辨率高、 機械磨損小， 采用非接觸式(無觸點霍爾

71、式)。它具有 360°無盲區(qū)測量、 動態(tài)噪聲小、 12 位分辨率、 旋轉平滑性較好、 線性精度小于0．3%等優(yōu)點。由其為電阻式傳感器，可方便的側得角度變化，進而進行角度調整。</p><p>　　其降功耗曲線如圖4-11：</p><p>　　圖 4-11 WDD35D4降功耗曲線圖</p><p><b>　　開關電源</b><

72、;/p><p>　　開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一成本反轉點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端

73、移動，這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。 </p><p>　　開關式穩(wěn)壓電源的原理基本電路如圖4-12：</p><p>　　圖 4-12 基本電路電路圖</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　開關電源的工作過程相當容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，P

74、WM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導通時，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產生的損耗。 </p><p>　　與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關電源的控制器來調節(jié)。一旦輸入電壓被斬成

75、交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經過整流濾波后就得到直流輸出電壓。 </p><p>　　控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設計成與線性調節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅動功率管之前要經過一個電壓/脈沖寬度轉換單元&

76、lt;/p><p><b>　　主要類型：</b></p><p>　　現(xiàn)代開關電源有兩種：一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。這里主要介紹的只是直流開關電源，其功能是將電能質量較差的原生態(tài)電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓（精電）。直流開關電源的核心是DC/DC轉換器。因此直流開關 電源的分類是依賴DC/DC轉換器分類的。

77、也就是說，直流開關電源的分類與DC/DC轉換器的分類是基本相同的，DC/DC轉換器的分類基本上就是直 流開關電源的分類。</p><p><b>　　主要用途:</b></p><p>　　開關電源產品廣泛應用于工業(yè)自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具

78、，通訊設備，視聽產品，安防，電腦機箱，數(shù)碼產品和儀器類等領域。</p><p><b>　　發(fā)展方向：</b></p><p>　　開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了開關電源的發(fā)展前進，每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關電源可分為AC/

79、DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。另外，開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。 </p><p>　　開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。 </p><

80、p>　　SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用，GTR驅動困難，開關頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。</p><p><b>　　優(yōu)缺點：</b></p><p>　　開關電源相對于線性電源來說顯著的優(yōu)點就是效率高。功率器件工作于開關狀態(tài),功耗小,因而開關源可對市電進行直接整流、濾波、調整后通過功率開關管進行調整,不需工頻變壓器;隔離式D

81、C󰃗DC變換器使用變壓器,但由于功率開關管開關頻率高,所用變壓器為高頻器,功率相同的前提下,高頻變壓器比工頻變壓器要輕小很多;同時功率器件功率小,所需的散熱器件也小;此外功率開關管開關頻高,所需的電感電容數(shù)值較小;所以開關電源相對于線性電源來說體積小,重量輕,在這很多場合下更符合人們的需求。</p><p>　　開關穩(wěn)壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾開關穩(wěn)壓電源中，功率調整開關晶體管V工作在開

82、關狀態(tài)，它產生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重地影響整機的正常工作。此外由于開關穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重干擾。</p><p>　　TB6560步進電機驅動器介紹</p><p>　　TB6560步進電機驅動器是一款具有高

83、穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性的經濟型步進電機驅動器，適用于各種工業(yè)控制環(huán)境。該驅動器主要用于驅動35、39、42、57 型4、6、8線兩相混合式步進電機。其細分數(shù)有4 種，最大16細分 ；其驅動電流范圍為0.3A－3A，輸出電流共有14 檔，電流的分辨率約為0.2A；具有自動半流，低壓關斷、過流保護和過熱停車功能。適合各種中大型自動化設備，例如：雕刻機、切割機、包裝機械、電子加工設備、自動裝配設備等。TB6560驅動器采用差分式接口電路可適

84、用于差分信號，單端共陰及共陽等接口，通過高速光耦進行隔離，允許接收長線驅動器，集電極開路和PNP輸出電路的信號。在環(huán)境惡劣的場合，推薦用長線驅動器電路，抗干擾能力強。</p><p><b>　　驅動器接口和接線</b></p><p>　　輸入脈沖與電機扭矩之間的關系如圖4-13</p><p>　　圖 4-13 TB6560驅動輸入脈沖與電

85、機扭矩之間的關系圖</p><p>　　由圖可以看出，在24V供電（本設計采用的電源電壓）情況下，隨著輸入脈沖速率的增大，電機輸出扭矩是成變小的趨勢的，所以輸入脈沖不可太大，否則會出現(xiàn)呼嘯和堵轉的現(xiàn)象。</p><p>　　電機內部結構圖如圖4-14</p><p>　　圖 4-14 電機內部結構圖</p><p>　　步進電機驅動接線圖如圖

86、4-15：</p><p>　　圖 4-15 步進電機驅動接線圖</p><p>　　電機為兩相四線步進電機，四根驅動線對應四根電機線，任意同相的兩根線交換順序時，電機方向反向。</p><p>　　本設計采用共陽極接法，共陽極接法控制電路圖如圖4-16：</p><p>　　圖 4-16 共陽極接法控制電路圖</p><

87、p>　　共陰極接法主要特點是不用的引腳接地，使用端只要有高電平就能起到控制作用。</p><p>　　電機具體控制說明：脈沖信號接PWM脈沖輸出端口（本設計用的是stm32的PB6口），方向信號可通過另一端口的高低控制，高與低方向相反（本設計用的是stm32的PD1口）。使能端是電機控制的啟停位，拉高則正常旋轉，反之則停止轉動（本設計用的是stm32的PD0口）。驅動電源選擇的是DC24V開關電源，驅動與電

88、機接線圖如圖4-17：</p><p>　　圖 4-17 驅動與電機接線圖</p><p>　　具體實物連線效果圖如圖4-18</p><p>　　圖4-18 具體實物連線效果圖</p><p><b>　　驅動整體參數(shù)設置</b></p><p><b>　　軟件部分設計</b&

89、gt;</p><p>　　系統(tǒng)整體框圖如圖5-1：</p><p>　　圖 5-1 系統(tǒng)整體框圖</p><p>　　由采樣模塊測得擺桿初始位置，輸入系統(tǒng)，判斷角度在那個范圍，選擇執(zhí)行相應控制方案（起擺還是微調），然后繼續(xù)檢測，判斷，依此循環(huán)下去，直道達到控制要求，電機斷電，一貫性保持平衡。有擾動時，判斷擾動量級，選擇控制方案，重新進入循環(huán)。</p>

90、<p><b>　　PID算法實現(xiàn)：</b></p><p>　　PID 控制系統(tǒng)的結構如圖 5-2所示：</p><p>　　圖 5-2 PID控制系統(tǒng)的結構</p><p>　　從圖中可以看出， PID 控制系統(tǒng)的核心思想是誤差反饋和控制。也就是說， 將輸出信號 out 反饋到輸入端，與期望的目標信號 in 進行差值計算， 然后

91、進行比例、 微分、 積分的運算， 最后產生新的輸出控制信號。由于 PID 具有結構簡單、 使用方便、 參數(shù)互相獨立、 實用性強、 魯棒性好等諸多優(yōu)點， 因此是當今最流行的控制方法之一， 許多新的控制算法也是從PID的衍生算法或借鑒了PID的控制思想。</p><p>　　PID 控制器可以劃分為位置型、增量型、微分先行型等類型。在旋轉倒立擺系統(tǒng)中，受控對象為伺服電機，應該采用增量型。首先， 增量型PID不需做誤差

92、的累加，對控制量的計算影響較小;其次，增量型PID得出的是控制的增量，誤動作影響小，也可以通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。另外，增量型PID的計算量比較小，能大大加快計算的速度，對于實時性要求非常高的旋轉倒立擺來說顯然更為適合。</p><p>　　PID控制子流程圖如圖5-3：</p><p>　　圖5-3 PID子流程圖</p><p>　　此

93、處PID參數(shù)值計算用的是經驗法，具體各參數(shù)在倒立擺系統(tǒng)中的值范圍為多少可參考上面有關PID算法的實現(xiàn)。</p><p>　　相關 PID 的結構和控制算法如下:</p><p>　　struct PID { ∥PID 的結構</p><p>　　int SetPoint;∥目標值， 本設計中 180°折合2048</p><p>　

94、　int Proportion;∥比例常數(shù)， 10～25， 本設計取值 14</p><p>　　int Integral;∥積分常數(shù)， 1～10， 本設計取值 3</p><p>　　int Derivative;∥微分常數(shù)， 30～60， 本設計取值 46</p><p>　　int LastError;∥上次誤差</p><p>　　i

95、nt PrevError;∥當前誤差</p><p>　　}; struct PID spid;</p><p>　　int rout;∥輸出 PID Ｒesponse (Output)</p><p>　　int rin;∥反饋 PID Feedback (Input)</p><p>　　int PIDCalc( struct PID *

96、 p，int NextPoint )</p><p><b>　　{∥PID 控制</b></p><p>　　iError = p－＞SetPoint －NextPoint;∥增量計算</p><p>　　return (p－＞Proportion * iError － p－＞Integral* p－＞ LastError + p－＞Deri

97、vative * p－＞ PrevEr-ror) ;∥PID 計算</p><p><b>　　……∥更新各變量</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　WDD35D4程序設計</p><p>　　WDD35D4程序流程圖如圖5-4：</p><p&g

98、t;　　此部分設計相對簡單，WDD35D4左右兩端分別接3.3V和地，之所以接3.3V是因為我們要用到STM32控制器內部12位AD，而其內部自帶的AD只能測小于3.3V的轉換，否則采樣所得結果將不準確甚至是錯誤結果。由AD采樣值得到角度值的計算如式（5-1）：</p><p><b>　　電機控制</b></p><p>　　5.2.1起擺程序設計</p>

99、;<p>　　起擺程序設計流程圖如圖5-5：</p><p>　　圖 5-5 起擺程序設計流程圖</p><p>　　起擺是在擺桿角度和理想位置的角度相差太大時執(zhí)行的程序，這部分程序可以在盡量短的時間內使擺桿達到和理想位置相近的位置，節(jié)省了調節(jié)過程相對很大一部分時間。</p><p>　　5.2.2微調程序設計</p><p>

100、　　微調程序設計流程圖如圖5-6：</p><p>　　圖 5-6 微調程序設計流程圖</p><p>　　微調是在自由擺將要到達頂端時才運行的程序，顧名思義，此時電機不再大幅度旋轉，只需要根據(jù)擺桿的角度調整相應的旋轉方向及旋轉速度，來減小或者保持擺桿與理想位置的夾角。</p><p><b>　　總結與展望</b></p>&l

101、t;p>　　以 STM32 為控制器， 以慣性起擺和增量 PID為控制算法， 將角度傳感器獲取的數(shù)值進行計算，通過 PWM 信號控制 TB6560 驅動步進電機， 實現(xiàn)了旋轉倒立擺系統(tǒng)的大部分功能。起擺過程電機大幅度旋轉并突然停止，使得擺桿可以盡快達到頂部，接著進入微調程序，電機根據(jù)擺桿偏離中間（倒立）位置的角度，利用PID反饋回來的調節(jié)值，實時控制轉軸F與擺桿E的位置關系。實踐表明， 該旋轉倒立擺具有穩(wěn)定、 可靠、 運行平滑、

102、抗干擾能力強、 功耗較低、 價格低廉等優(yōu)點。</p><p>　　在此設計的基礎上如果再用另一種傳感器MMA7361（加速度傳感器）相配合會達到更好地效果，另外后者價格也便宜，功能強大，測量精度高。利用MMA7361和WDD35D4相配合可以形成兩級控制，使得控制調整更及時，效果將會更好。</p><p>　　本設計采用的是PID控制，如果條件許可還可以嘗試其他的控制方法，具體方法如本設計

103、緒論部分。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　歷時近兩個多月的時間終于將這個設計做完，在設計完成的過程中遇到了很多困難和障礙，都在同學和老師的幫助下克服了。尤其要強烈感謝我的設計指導老師——宋運忠老師，他對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助我，給我排憂解難，每周一的開會輔導讓我受益良多，每次遇到問題感到氣餒想要放棄的時候，宋老師的鼓勵

104、都讓我能重拾信心。另外，我的實物部分的順利完成得益于工程訓練中心林師傅的無私幫助，還有在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導過我的各位老師表示最衷心的感謝！本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，參考了很多電子設計大賽論文，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本設計。在此感謝這篇論文所涉及到的各位學者。感謝我的同學和朋友，尤其是電氣專業(yè)的葉亞東同學，在我寫論文的過程中給予我了很多素

105、材，并在論文的撰寫和排版過程中提供熱情的幫助。由于我的學術水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學友批評和指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　［1］楊平，余杰編著.自動控制原理實驗與實踐.中國電力出版社,2005</p><p>　?。?］劉春生，吳慶憲主編. 現(xiàn)代控制工程基礎.北京:科學出版社,

106、2011.3</p><p>　?。?］姚舜才,溫志明，黃剛編著.運動控制系統(tǒng)分析與應用.北京：國防工業(yè)出版社</p><p>　?。?］劉建昌等編著，計算機控制系統(tǒng).北京：科學出版社，2009</p><p>　?。?］王樹青,戴連奎,于玲編著，過程控制工程.北京：化學工業(yè)出版社,2008.2</p><p>　　[6] 吳愛國,張小明,張

107、釗.基于Lagrange方程建模的單級旋轉倒立擺控制[J].中國工程科學,2005.</p><p>　　［7］邵瑞，張昌凡，黃宜山，等．基于滑模觀測器的環(huán)形倒立擺控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］．測試技術學報， 2010.</p><p>　?。?］王洪斌，安志銀．基于神經網絡旋轉二級倒立擺系統(tǒng)的預測控制［J］．計算機仿真， 2010．</p><p>　?。?］柳志遠

108、，張湘平．基于遺傳算法PID的旋轉式倒立擺控制［J］．計算機技術與發(fā)展， 2008．</p><p>　　［10］謝慕君，王輝．模糊趨近率的滑模控制在倒立擺系統(tǒng)中的應用研究［J］．自動化技術與應用， 2008．</p><p>　?。?1］高興泉，陳虹．電機驅動力矩受限的旋轉倒立擺保代價控制［J］．吉林大學學報:工學版，2011．</p><p>　?。?2］羅天資

109、，陳衛(wèi)兵，鄒豪，等．直線電機模糊增量PID控制算法的研究［J］．測控技術， 2011．</p><p>　　[13]張朝陽,魏曉赟,王少峰.基于52單片機的旋轉倒立擺的研究和與設計[J].廊坊師范學院學報(自然科學版),2014.</p><p>　　[14] Du Gaixin,Huang Nanchen, Wu Gang. The rotational inverted-pendulu

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115、;/p><p>　　附錄二：STM32整體電路圖</p><p>　　附錄三：展示用供電電源整體電路圖</p><p>　　附錄四：控制系統(tǒng)核心程序</p><p><b>　　PID算法：</b></p><p>　　#include <stm32f10x_lib.h></p>

116、;<p>　　#include "sys.h"</p><p>　　#include "delay.h"</p><p>　　#include "key.h"</p><p>　　#include "adc.h"</p><p>　　#includ

117、e "pwm.h"</p><p>　　extern u16 WWD35D4_AD;</p><p>　　struct PID { </p><p><b>　　//PID 的結構</b></p><p>　　int SetPoint;//目標值， 本設計中 180°折合2048</p