倒立擺系統(tǒng)的擺動(dòng)控制

1、<p><b>　　河南理工大學(xué)</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化11-03班 學(xué)生姓名 胡長坤 </p><p>　　一、題目 倒立擺系統(tǒng)的擺動(dòng)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(wù)與要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)并制作一套簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置。</p><p>　?。?）擺桿從出于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盡快使擺

3、桿倒立，保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于10s；</p><p>　　（2）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(nèi)恢復(fù)倒立狀態(tài)；</p><p>　?。?）在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運(yùn)動(dòng)，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過的角度達(dá)到或超過360度。</p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p

4、>　　學(xué)院領(lǐng)導(dǎo) 簽字（蓋章）</p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　河南理工大學(xué)</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語</p><p>　　題目

5、 </p><p>　　評(píng) 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(xué)</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)定書</p><p>　　題目 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p><b>　　年 月

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

8、;p>　　2、圖紙 共 張</p><p>　　3、指導(dǎo)教師意見 共 頁</p><p>　　4、評(píng)閱人意見 共 頁</p><p>　　經(jīng)審查， 專業(yè)

9、 班 同學(xué)所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），符合學(xué)校本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的相關(guān)規(guī)定，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書的要求，根據(jù)學(xué)校教學(xué)管理的有關(guān)規(guī)定，同意參加畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯。</p><p>　　指導(dǎo)教師 簽字（蓋章）</p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　根據(jù)審查，準(zhǔn)

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

11、學(xué)院 專業(yè) 班 </p><p>　　同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）于 年 月 日進(jìn)行了答辯。</p><p>　　根據(jù)學(xué)生所提供的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）材料、指導(dǎo)教師和評(píng)閱人意見以及在答辯過程中學(xué)生回答問題的情況，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)（小組）做出如下決議。</p><p>　　一、畢

12、業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的總評(píng)語</p><p>　　二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的總評(píng)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(huì)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(qiáng)耦合非線性的自然恒不穩(wěn)定系統(tǒng)，控制比較復(fù)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(yīng)用非常廣泛，例如航天領(lǐng)域里的火箭空中姿態(tài)調(diào)整、衛(wèi)星太空中飛行姿態(tài)控制，機(jī)器人領(lǐng)域里機(jī)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(lǐng)域各類復(fù)雜的控制系統(tǒng)，往往也都是利用倒立擺的控制方法來實(shí)現(xiàn)。倒立擺已經(jīng)成為測(cè)試控制理論是否有效的試金石， 也是產(chǎn)生新的控制方法的基礎(chǔ)平臺(tái)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)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(jìn)行增量 PID 計(jì)算并產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，使 TB656

15、0能夠快速、平滑地驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)擺桿進(jìn)入穩(wěn)定的倒立狀態(tài)。實(shí)踐表明，該倒立擺穩(wěn)定、可靠、運(yùn)行平滑、抗干擾能力強(qiáng)，具有低成本、 低功耗等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　【 關(guān) 鍵 詞 】 旋轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)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(qū)動(dòng)模塊選型7</p><p>　　3.6 濾波方式選擇7</p><p>　　4 硬件部分設(shè)計(jì)8</p><p>　　4.1 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)8</p><p>　　4.1.1 供電電路

24、8</p><p>　　4.1.2 時(shí)鐘電路10</p><p>　　4.1.3 復(fù)位電路10</p><p>　　4.1.4 下載電路11</p><p>　　4.1.5 啟動(dòng)電路11</p><p>　　4.2 其他相關(guān)電路設(shè)計(jì)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(guān)電源15</p><p>　　4.5 TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器介紹17</p><p>　　4.5.1 驅(qū)動(dòng)器接口和接線17</p><p>　

26、　4.5.2 驅(qū)動(dòng)整體參數(shù)設(shè)置20</p><p>　　5 軟件部分設(shè)計(jì)22</p><p>　　5.1 WDD35D4程序設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.2 電機(jī)控制25</p><p>　　5.2.1 起擺程序設(shè)計(jì)25</p><p>　　5.2.2 微調(diào)程序設(shè)計(jì)25</p><p

27、>　　6 總結(jié)與展望27</p><p><b>　　致謝28</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)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(nèi)外對(duì)于倒立擺系統(tǒng)的控制方法研究可以總結(jié)如下：</p><p><b>　　1 ）PID控制。</b></p><p&

29、gt;　　通常的做法是通過對(duì)倒立擺系統(tǒng)物理模型進(jìn)行力學(xué)分析，建立其動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)出PID控制器實(shí)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(jìn)行，根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)不斷嘗試設(shè)定，因此往往不能從推理上給出令人滿意的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(guān)聯(lián)度)作為確定輸入矯正量的依據(jù)，從而使被控信息轉(zhuǎn)換到合格范圍內(nèi)。目前國內(nèi)外對(duì)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(jīng)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(huì)為人們解決復(fù)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(diǎn)配置法。</b></p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能指

31、標(biāo)很大程度上取決于其閉環(huán)系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布情況，因此，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，通過選擇適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)反饋矩陣，使閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)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(jì)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(shè)計(jì)方法，它可以歸結(jié)為：當(dāng)系統(tǒng)受擾偏離原平衡狀態(tài)時(shí)，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(dòng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、遺傳控制算法等。另外，在倒立擺系統(tǒng)實(shí)際控制中，也常采用幾種控制算法相結(jié)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(shí)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(diǎn)，同

33、時(shí)也各有各的缺點(diǎn)，但總體看來都和PID控制算法離不開關(guān)系，都有其相通之處。很多新的設(shè)計(jì)方法也會(huì)產(chǎn)生，但都要經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)才能真正被廣泛接受與應(yīng)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(shè)計(jì)中，PID算法的設(shè)計(jì)是很關(guān)鍵的一步，算法精確度選取的好壞，直接影響到系統(tǒng)

34、運(yùn)行的準(zhǔn)確性。在比較自適應(yīng)算法和PID算法后，采用PID算法。</p><p>　　PID控制相應(yīng)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(shí)u的初值；</p><p>　　——調(diào)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(shí)間常數(shù)；</b></p><p><b>　　——微分時(shí)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(jì)算公式一般為離散分量，需要對(duì)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(hào)；</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(gè)公式，可以得出差分公式為（2-3）：<

37、;/p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中， e(k) 為目標(biāo)值與當(dāng)前值之差， 為比例系數(shù)， 為積分時(shí)間常數(shù)， 為微分時(shí)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(diào)的影響;但是， 過大也會(huì)造成被控物理量在反饋信號(hào)急劇變化時(shí)難以迅速恢復(fù)的問題。 可以根據(jù)信號(hào)變化的速率提前給

38、出相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作， 從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間， 克服因積分時(shí)間過長而使恢復(fù)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(jī)理建模方案</b></p><p>　　倒立擺的運(yùn)動(dòng)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(duì)于旋轉(zhuǎn)倒立擺，目前多采用拉格朗日方法來獲得系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。設(shè) 為旋臂長度， 為擺桿質(zhì)心到支點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)倒立擺的運(yùn)動(dòng)方程和空間方程，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、LQR、模糊控制、分級(jí)逼近、根軌跡、頻率響應(yīng)、魯棒控制、狀態(tài)空間等方法就可以使得擺桿進(jìn)入倒立狀態(tài)。</p><p>　　相對(duì)PID控制方案，機(jī)理建模主要依靠理論，不需要有太多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來求取PID參

42、數(shù)。機(jī)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(jī)理建模對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少者是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但是機(jī)理建模方案對(duì)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(duì)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(jī)價(jià)格便宜， 應(yīng)用廣泛， 簡單，實(shí)用，資料多 ；但是51單片機(jī)運(yùn)行速度很慢，I/0口的驅(qū)動(dòng)能力弱，功耗比較高，抗干擾能力也不是很強(qiáng)。</p><p>　　方案二：采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)，此款單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單

44、片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。</p><p>　　方案三： 采用 TI 公司的 ARM Cortex-M3 內(nèi)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(chǔ)器，對(duì)于一般的控制應(yīng)用，不需外擴(kuò)數(shù)據(jù)／程序存儲(chǔ)器。為了達(dá)到更好的控制，選擇用此單片機(jī)。</p><p><b>　　電機(jī)的選型</b></p><p>　　方案一： 采用直流減速電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)桿的運(yùn)動(dòng)，直流減速電機(jī)力矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，但其制動(dòng)能力差，對(duì)擺桿倒立時(shí)的微控制器能力差。</p><p>　　方案二

46、：采用 42BYJ250—40 5V驅(qū)動(dòng)的2相 4線制的步進(jìn)電機(jī)。它是減速步進(jìn)電機(jī)，體積小，減速比為 1：8，步進(jìn)角為1.8度。它的主要特性有：步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性，能夠?qū)崿F(xiàn)精微控制。改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。</p><p>　　方案三，舵機(jī)價(jià)格偏高，性能易受電壓影響，控制旋轉(zhuǎn)的角度精確度不高。</p><p>　　鑒于設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)量 </p><p>　　擺桿擺過的角度，該數(shù)據(jù)要傳送給STM32F103VC控制器，經(jīng)計(jì)算確定步進(jìn)電機(jī)的下一個(gè)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(zhuǎn)軸可隨擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，并且輸出脈沖，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈編碼器輸出500個(gè)脈沖，由此可實(shí)時(shí)測(cè)得擺桿轉(zhuǎn)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(yīng)用提供靈活的可選量程：包括 1.5g 和6g，功耗低，開機(jī)響應(yīng)時(shí)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(duì)應(yīng)的采樣值，但如果只是用單軸時(shí)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(jī)械磨損， 采用非接觸式(無觸點(diǎn)霍爾式)角度傳感器 WDX35D。它具有 360°無盲區(qū)測(cè)量、 動(dòng)態(tài)噪聲小、 12 位分辨率、 旋轉(zhuǎn)平滑性較好、 線性精度小于0．3%等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　在滿足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)選擇的是開關(guān)電源作為驅(qū)動(dòng)模塊的供電電源，因?yàn)殚_關(guān)電源具有變壓器電源不具備的以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p><b>　　功耗小，效率高。</b></p><p>　　晶體管V在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，可以交替地工作在導(dǎo)通——截止和截止——導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，由于使用的開

51、關(guān)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(dá)到80%。</p><p><b>　　體積小，重量輕。</b></p><p>　　由于開關(guān)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(guān)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(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)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(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)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(guān)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(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，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(qū)動(dòng)模塊選型</b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)模塊。 由于驅(qū)動(dòng)電流較小， 倒立控制的響應(yīng)較慢， 不容易保持穩(wěn)定。</p><p>　　方案二：采用TB6560_3A步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。TB6560具

55、有以下功能和優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　功能：采用6N137高速光藕，保證高速不失步。內(nèi)有低壓關(guān)斷、過熱停車及過流保護(hù)電路，保證最優(yōu)性能。額定最大輸出為：±3A，峰值3.5A。自動(dòng)半流功能。細(xì)分：整步，半步，1/8步，1/16步，最大16細(xì)分。</p><p>　　TB6560步進(jìn)驅(qū)動(dòng)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：電流級(jí)逐可調(diào)，自動(dòng)半流可調(diào)。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(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。</p><p>　　對(duì)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(yīng)用領(lǐng)域，不能不考慮情況就選擇。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的濾波模塊采用的是軟件濾波

57、和硬件濾波相結(jié)合方案。在濾波過程中，除了檢測(cè)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(diǎn)，對(duì)采樣值進(jìn)行多次采樣，存儲(chǔ)，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(duì)剩下部分取平均值作為采樣值。</p><p><b>　　硬件部分設(shè)計(jì)</b></p><p>　　

58、STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　STM32微處理器不能獨(dú)立工作，必須提供外圍相關(guān)電路，構(gòu)成STM32最小系統(tǒng)。STM32最小系統(tǒng)包括四部分：供電電路，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，下載電路。具體為：3．3V電源、8MHz晶振時(shí)鐘、復(fù)位電路、數(shù)字和模擬間的去耦電路、調(diào)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(shí)調(diào)試時(shí)最小系統(tǒng)供電電源為USB供電，經(jīng)AMS1117處理后可得3.3V電源供處理器實(shí)現(xiàn)其他功能時(shí)用。實(shí)物展示時(shí)用5V直流電源供電。</p><p>　　AMS1117是一個(gè)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(nèi)部框圖如圖4-2：</p><p>　　圖4-2 AMS1117內(nèi)部框圖</p><p>　　實(shí)物展示供電電路設(shè)計(jì)思路如框圖4-3.</p><p>　　圖4-3 供電電路

61、設(shè)計(jì)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(gè)部分。</p><p>　　變壓電路：將交流電網(wǎng)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(dòng)的直流電壓。濾波電路：由于經(jīng)過整流的脈動(dòng)直流電壓還含有較大的紋波，因此需要設(shè)計(jì)濾波電路加以濾除。</p><p>　　穩(wěn)壓

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

63、;<b>　　晶振電路</b></p><p><b>　　（b）時(shí)鐘晶振電路</b></p><p>　　圖4-4 STM32系統(tǒng)板時(shí)鐘電路</p><p><b>　　復(fù)位電路</b></p><p>　　復(fù)位電路如圖4-5。</p><p>　　圖

64、4-5 復(fù)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(dòng)電路</b></p><p>　　啟動(dòng)電路圖設(shè)計(jì)如圖4-7</p>&l

65、t;p>　　圖4-7 啟動(dòng)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(dòng)模式。根據(jù)選定的啟動(dòng)模式，主閃存存儲(chǔ)器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器或SRAM 可以按照以下方式訪問：</p><p>　?。?）從主閃存存儲(chǔ)器啟動(dòng)：主閃存存儲(chǔ)器被映射到啟動(dòng)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(chǔ)器的內(nèi)容可以在兩個(gè)地址區(qū)域訪問，0x0000 0000或0x0800 0000。</p><p>　?。?）從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)：系統(tǒng)存儲(chǔ)器被映射到啟動(dòng)空間(0x0000 0000)，但仍然能夠在它原有的地址(互聯(lián)型產(chǎn)品原有地址為0x1FFF B000，其它產(chǎn)品原有地址為0x1FFF F000)訪問它。 </p><p>　?。?）從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)：只能在0x2000 0000 開始的地址

67、區(qū)訪問SRAM。</p><p>　　注意：當(dāng)從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)，在應(yīng)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(guān)電路設(shè)計(jì)</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(diǎn)如下：</p><p>　　特點(diǎn)：多種電阻值可選，多種線性度可選，導(dǎo)電塑料基體，機(jī)械壽命長，動(dòng)態(tài)噪聲小，分辨率高，進(jìn)口貴金屬電刷，硬質(zhì)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(jī)械磨損小， 采用非接觸式(無觸點(diǎn)霍爾

71、式)。它具有 360°無盲區(qū)測(cè)量、 動(dòng)態(tài)噪聲小、 12 位分辨率、 旋轉(zhuǎn)平滑性較好、 線性精度小于0．3%等優(yōu)點(diǎn)。由其為電阻式傳感器，可方便的側(cè)得角度變化，進(jìn)而進(jìn)行角度調(diào)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(guān)電源</b><

72、;/p><p>　　開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)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(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端

73、移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。 </p><p>　　開關(guān)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(guān)電源的工作過程相當(dāng)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(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)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(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流小）/功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。 </p><p>　　與線性電源相比，PWM開關(guān)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(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)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(jīng)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(shè)計(jì)成與線性調(diào)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(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元&

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

77、也就是說，直流開關(guān)電源的分類與DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類是基本相同的，DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類基本上就是直 流開關(guān)電源的分類。</p><p><b>　　主要用途:</b></p><p>　　開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)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(shè)備，視聽產(chǎn)品，安防，電腦機(jī)箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。</p><p><b>　　發(fā)展方向：</b></p><p>　　開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了開關(guān)電源的發(fā)展前進(jìn)，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(guān)電源可分為AC/

79、DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。另外，開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。 </p><p>　　開關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。 </p><

80、p>　　SCR在開關(guān)電源輸入整流電路及軟啟動(dòng)電路中有少量應(yīng)用，GTR驅(qū)動(dòng)困難，開關(guān)頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。</p><p><b>　　優(yōu)缺點(diǎn)：</b></p><p>　　開關(guān)電源相對(duì)于線性電源來說顯著的優(yōu)點(diǎn)就是效率高。功率器件工作于開關(guān)狀態(tài),功耗小,因而開關(guān)源可對(duì)市電進(jìn)行直接整流、濾波、調(diào)整后通過功率開關(guān)管進(jìn)行調(diào)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(guān)管開關(guān)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(shí)功率器件功率小,所需的散熱器件也小;此外功率開關(guān)管開關(guān)頻高,所需的電感電容數(shù)值較小;所以開關(guān)電源相對(duì)于線性電源來說體積小,重量輕,在這很多場(chǎng)合下更符合人們的需求。</p><p>　　開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾開關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開關(guān)晶體管V工作在開

82、關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產(chǎn)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(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外由于開關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重干擾。</p><p>　　TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器介紹</p><p>　　TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一款具有高

83、穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性的經(jīng)濟(jì)型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，適用于各種工業(yè)控制環(huán)境。該驅(qū)動(dòng)器主要用于驅(qū)動(dòng)35、39、42、57 型4、6、8線兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。其細(xì)分?jǐn)?shù)有4 種，最大16細(xì)分 ；其驅(qū)動(dòng)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(dòng)半流，低壓關(guān)斷、過流保護(hù)和過熱停車功能。適合各種中大型自動(dòng)化設(shè)備，例如：雕刻機(jī)、切割機(jī)、包裝機(jī)械、電子加工設(shè)備、自動(dòng)裝配設(shè)備等。TB6560驅(qū)動(dòng)器采用差分式接口電路可適

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

85、機(jī)扭矩之間的關(guān)系圖</p><p>　　由圖可以看出，在24V供電（本設(shè)計(jì)采用的電源電壓）情況下，隨著輸入脈沖速率的增大，電機(jī)輸出扭矩是成變小的趨勢(shì)的，所以輸入脈沖不可太大，否則會(huì)出現(xiàn)呼嘯和堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。</p><p>　　電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4-14</p><p>　　圖 4-14 電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線圖如圖

86、4-15：</p><p>　　圖 4-15 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線圖</p><p>　　電機(jī)為兩相四線步進(jìn)電機(jī)，四根驅(qū)動(dòng)線對(duì)應(yīng)四根電機(jī)線，任意同相的兩根線交換順序時(shí)，電機(jī)方向反向。</p><p>　　本設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jī)具體控制說明：脈沖信號(hào)接PWM脈沖輸出端口（本設(shè)計(jì)用的是stm32的PB6口），方向信號(hào)可通過另一端口的高低控制，高與低方向相反（本設(shè)計(jì)用的是stm32的PD1口）。使能端是電機(jī)控制的啟停位，拉高則正常旋轉(zhuǎn)，反之則停止轉(zhuǎn)動(dòng)（本設(shè)計(jì)用的是stm32的PD0口）。驅(qū)動(dòng)電源選擇的是DC24V開關(guān)電源，驅(qū)動(dòng)與電

88、機(jī)接線圖如圖4-17：</p><p>　　圖 4-17 驅(qū)動(dòng)與電機(jī)接線圖</p><p>　　具體實(shí)物連線效果圖如圖4-18</p><p>　　圖4-18 具體實(shí)物連線效果圖</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)整體參數(shù)設(shè)置</b></p><p><b>　　軟件部分設(shè)計(jì)</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(cè)得擺桿初始位置，輸入系統(tǒng)，判斷角度在那個(gè)范圍，選擇執(zhí)行相應(yīng)控制方案（起擺還是微調(diào)），然后繼續(xù)檢測(cè)，判斷，依此循環(huán)下去，直道達(dá)到控制要求，電機(jī)斷電，一貫性保持平衡。有擾動(dòng)時(shí)，判斷擾動(dòng)量級(jí)，選擇控制方案，重新進(jìn)入循環(huán)。</p>

90、<p><b>　　PID算法實(shí)現(xiàn)：</b></p><p>　　PID 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 5-2所示：</p><p>　　圖 5-2 PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</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(hào) out 反饋到輸入端，與期望的目標(biāo)信號(hào) in 進(jìn)行差值計(jì)算， 然后

91、進(jìn)行比例、 微分、 積分的運(yùn)算， 最后產(chǎn)生新的輸出控制信號(hào)。由于 PID 具有結(jié)構(gòu)簡單、 使用方便、 參數(shù)互相獨(dú)立、 實(shí)用性強(qiáng)、 魯棒性好等諸多優(yōu)點(diǎn)， 因此是當(dāng)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(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)中，受控對(duì)象為伺服電機(jī)，應(yīng)該采用增量型。首先， 增量型PID不需做誤差

92、的累加，對(duì)控制量的計(jì)算影響較小;其次，增量型PID得出的是控制的增量，誤動(dòng)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(jì)算量比較小，能大大加快計(jì)算的速度，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求非常高的旋轉(zhuǎn)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(jì)算用的是經(jīng)驗(yàn)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(guān)PID算法的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　相關(guān) PID 的結(jié)構(gòu)和控制算法如下:</p><p>　　struct PID { ∥PID 的結(jié)構(gòu)</p><p>　　int SetPoint;∥目標(biāo)值， 本設(shè)計(jì)中 180°折合2048</p><p>　

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

95、nt PrevError;∥當(dāng)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(jì)算</p><p>　　return (p－＞Proportion * iError － p－＞Integral* p－＞ LastError + p－＞Deri

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

98、t;　　此部分設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，WDD35D4左右兩端分別接3.3V和地，之所以接3.3V是因?yàn)槲覀円玫絊TM32控制器內(nèi)部12位AD，而其內(nèi)部自帶的AD只能測(cè)小于3.3V的轉(zhuǎn)換，否則采樣所得結(jié)果將不準(zhǔn)確甚至是錯(cuò)誤結(jié)果。由AD采樣值得到角度值的計(jì)算如式（5-1）：</p><p><b>　　電機(jī)控制</b></p><p>　　5.2.1起擺程序設(shè)計(jì)</p>

99、;<p>　　起擺程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5-5：</p><p>　　圖 5-5 起擺程序設(shè)計(jì)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(shí)執(zhí)行的程序，這部分程序可以在盡量短的時(shí)間內(nèi)使擺桿達(dá)到和理想位置相近的位置，節(jié)省了調(diào)節(jié)過程相對(duì)很大一部分時(shí)間。</p><p>　　5.2.2微調(diào)程序設(shè)計(jì)</p><p>

100、　　微調(diào)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5-6：</p><p>　　圖 5-6 微調(diào)程序設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　微調(diào)是在自由擺將要到達(dá)頂端時(shí)才運(yùn)行的程序，顧名思義，此時(shí)電機(jī)不再大幅度旋轉(zhuǎn)，只需要根據(jù)擺桿的角度調(diào)整相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向及旋轉(zhuǎn)速度，來減小或者保持?jǐn)[桿與理想位置的夾角。</p><p><b>　　總結(jié)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(jìn)行計(jì)算，通過 PWM 信號(hào)控制 TB6560 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)， 實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)的大部分功能。起擺過程電機(jī)大幅度旋轉(zhuǎn)并突然停止，使得擺桿可以盡快達(dá)到頂部，接著進(jìn)入微調(diào)程序，電機(jī)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(diào)節(jié)值，實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)軸F與擺桿E的位置關(guān)系。實(shí)踐表明， 該旋轉(zhuǎn)倒立擺具有穩(wěn)定、 可靠、 運(yùn)行平滑、

102、抗干擾能力強(qiáng)、 功耗較低、 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上如果再用另一種傳感器MMA7361（加速度傳感器）相配合會(huì)達(dá)到更好地效果，另外后者價(jià)格也便宜，功能強(qiáng)大，測(cè)量精度高。利用MMA7361和WDD35D4相配合可以形成兩級(jí)控制，使得控制調(diào)整更及時(shí)，效果將會(huì)更好。</p><p>　　本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

103、緒論部分。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　歷時(shí)近兩個(gè)多月的時(shí)間終于將這個(gè)設(shè)計(jì)做完，在設(shè)計(jì)完成的過程中遇到了很多困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下克服了。尤其要強(qiáng)烈感謝我的設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師——宋運(yùn)忠老師，他對(duì)我進(jìn)行了無私的指導(dǎo)和幫助，不厭其煩的幫助我，給我排憂解難，每周一的開會(huì)輔導(dǎo)讓我受益良多，每次遇到問題感到氣餒想要放棄的時(shí)候，宋老師的鼓勵(lì)

104、都讓我能重拾信心。另外，我的實(shí)物部分的順利完成得益于工程訓(xùn)練中心林師傅的無私幫助，還有在校圖書館查找資料的時(shí)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(dǎo)過我的各位老師表示最衷心的感謝！本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，參考了很多電子設(shè)計(jì)大賽論文，如果沒有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本設(shè)計(jì)。在此感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。感謝我的同學(xué)和朋友，尤其是電氣專業(yè)的葉亞東同學(xué)，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(xué)術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?］楊平，余杰編著.自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)與實(shí)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(chǔ).北京:科學(xué)出版社,

106、2011.3</p><p>　　［3］姚舜才,溫志明，黃剛編著.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分析與應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社</p><p>　　［4］劉建昌等編著，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).北京：科學(xué)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(xué)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(jí)旋轉(zhuǎn)倒立擺控制[J].中國工程科學(xué),2005.</p><p>　　［7］邵瑞，張昌凡，黃宜山，等．基于滑模觀測(cè)器的環(huán)形倒立擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)， 2010.</p><p>　?。?］王洪斌，安志銀．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)旋轉(zhuǎn)二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制［J］．計(jì)算機(jī)仿真， 2010．</p><p>　　［9］柳志遠(yuǎn)

108、，張湘平．基于遺傳算法PID的旋轉(zhuǎn)式倒立擺控制［J］．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展， 2008．</p><p>　?。?0］謝慕君，王輝．模糊趨近率的滑?？刂圃诘沽[系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 2008．</p><p>　?。?1］高興泉，陳虹．電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩受限的旋轉(zhuǎn)倒立擺保代價(jià)控制［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2011．</p><p>　?。?2］羅天資

109、，陳衛(wèi)兵，鄒豪，等．直線電機(jī)模糊增量PID控制算法的研究［J］．測(cè)控技術(shù)， 2011．</p><p>　　[13]張朝陽,魏曉赟,王少峰.基于52單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)倒立擺的研究和與設(shè)計(jì)[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014.</p><p>　　[14] Du Gaixin,Huang Nanchen, Wu Gang. The rotational inverted-pendulu

110、m based on DSP controller[A].Proc of the 4th WorldCongress on Intelligent Control and Automation[C].ChinaShanghai,2002.</p><p>　　[15]宋君烈,肖軍,徐心和.倒立擺系統(tǒng)的Lagrange方程建模與模糊控制[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004.</p><p

111、>　　[16]張欣.單級(jí)旋轉(zhuǎn)倒立擺的二次型最優(yōu)控制研究[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2011.</p><p>　　[17]叢爽,張冬軍,魏衡華.單級(jí)倒立擺三種控制方法的對(duì)比研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2001.</p><p>　　[18]姜倩,管鳳旭.旋轉(zhuǎn)式倒立擺的鎮(zhèn)定和擺起控制[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007.</p><p>　　[19

112、]江晨,王富東.旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)的算法研究及仿真[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2010.</p><p>　　[20]陳進(jìn),王冠凌,邢景虎.單級(jí)倒立擺的PID和模糊控制對(duì)比研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2009.</p><p>　　[21]曹敏,徐凌樺.單神經(jīng)元PID算法在倒立擺控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009.</p><p>　　[22]楊平,徐春梅,

113、曾婧婧,蔣式勤,彭道剛.PID控制在倒立擺實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化)2006.</p><p>　?。?3］ Muskinja N，Tovornik B．Swinging up and stabilization of realinverted pendulum［J］．IEEE Trans．on Industrial Electronics，2006．</p><p

114、>　　[24]S.Awtar,N.King,T.Allen,I.Bang,M.Hanan,D.Skidmore,K.Craig.Inverted pendulum systems: rotary and arm-driven-a mechatronicsystem design case study[J].Mechatronics,2002.</p><p>　　附錄一：STM32最小系統(tǒng)控制板電路圖<

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(jié)構(gòu)</b></p><p>　　int SetPoint;//目標(biāo)值， 本設(shè)計(jì)中 180°折合2048</p