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2017年成都信息工程大學
第六屆“電協杯”電子設計競賽
簡易旋轉倒立擺及控制裝置（I題）
設計報告
參賽隊編號： XG-66-本-YZ
2017年11月30日
摘 要
本系統要求設計並製作一個簡易旋轉倒立擺及控制裝置，其中角度傳感器WDD35D4電位計、直流電機和單片機STM32F103RCT6最小系統是本系統的核心部分。利用電位計進行數據採集，在控制擺杆E旋轉角度，旋軸D擺動速度是通過測試得到PID係數Kp,Ki,Kd,能夠實現倒立擺系統的要求。將傳感器的電位信號通過A/D轉換送給單片機，並通過OLED液晶屏顯示讀到的A/D值，PID輸出，另加入按鍵實現人機交互功能，最後實驗表明，該系統達到題目所需要求。
關鍵詞：倒立擺，數字電位器，單片機，PID閉環控制
目錄
一、系統方案 1
1.1、系統控制方案的論證與選擇 1
1.2、角度傳感器的論證與選擇 1
1.3、電機的論證與選擇 2
1.4、電機驅動方案的論證與選擇 2
二、系統理論分析與計算 2
2.1、系統可行性的分析 2
2.1.1、控制方案的分析 2
2.1.2、角度傳感器的分析 3
2.2、擺杆角度的有關計算 3
2.2.1、電位器信號與擺角的換算 3
2.2.2、角度輸出與PWM的換算 3
三、電路與程序設計 3
3.1、電路的設計 3
3.1.1系統總體框圖 3
3.1.2單片機STM32最小系統電路原理圖 5
3.1.3電機驅動子系統電路原理圖 5
3.1.4穩壓電源子系統電路原理圖 6
3.1.5電源 6
3.2、程序的設計 6
3.2.1程序功能描述與設計思路 6
3.2.2程序流程圖 6
四、測試方案與測試結果 8
1、測試方案 8
2、測試條件與儀器 8
3、測試結果及分析 8
（1）測試結果(數據) 8
（2）測試分析與結論 8
五、結論與心得 9
六、參考文獻 9
附錄1：電路原理圖 10
附錄2：源程序 12
簡易旋轉倒立擺及控制裝置（I題）
【大三組】
一、系統方案
本系統主要由電源模塊、電機驅動模塊、系統控制模塊、角度傳感器模塊、顯示模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。
1.1、系統控制方案的論證與選擇
方案一：採用傳統的51系列單片機
傳統的51單片機爲8位機，價格便宜，控制簡單，但是運算速度慢，片內資源少，存儲容量小，難以存儲大體積的程序和實現快速精準的反應控制。並且受時鐘限制，計時精度不高，外圍電路也增加了系統的不可靠性。
方案二：
採用大規模可編程邏輯器件。FPGA內部具有獨立的I/O接口和邏輯單元，使用靈活，適用性強，且相對單片機來說，還有速度快，外圍電路少，集成度高的特點，因此特別適用於複雜邏輯電路設計。但是FPGA的成本偏高，算術運算能力不強，而且由於本設計對輸出處理的速度要求不高，所以FPGA高速處理的優勢得不到充分體現。
方案三：採用STM32F103系列單片機
我們採用STM32F103RCT6，該款單片機資源豐富16位的單片機使PWM信號的脈衝寬度實現微秒級的變化，從而提高電機的轉角精度單片機完成控制算法，再將計算結果轉化爲 PWM信號輸出到電機，由於單片機系統是一個數字系統，其控制信號的變化完全依靠硬件計數，所以受外界干擾較小，整個系統工作可以更穩定。
所以，綜上方案的比較，控制系統選擇方案三。
1.2、角度傳感器的論證與選擇
方案一：使用MPU6050姿態傳感器
改模塊整合了3軸陀螺儀和3軸加速度，輸出六軸旋轉矩陣、四元數，通過處理後可得到擺杆的旋轉角度及其加速度，但因數據更新慢，無法正確反饋角度，當電機啓動，擺杆擺動，切向方向有加速，影響X軸方向的加速度，數據從而無法精確控制擺的角度，而且受外界干擾比較大，所以放棄此方案。
方案二：使用電位器
採用電位器作爲角度傳感器來測角度，通過擺角不同從而電阻不同，通過AD測出電壓值，角度與電壓值呈線性關係。該方案線性好，數據更新快，實時反映角度，從而精確擺角。更適合此設計。
綜合考慮下，角度傳感器使用WDD35數字電位器。
1.3、電機的論證與選擇
方案一：採用舵機的缺點是不利於調節速度，扭力小，不利於擺動，所以放棄此
方案。
方案二：採用步進電機的優點是價格便宜，缺點是動態性能很差，扭力小，所以
加速度小，而且有震動，放棄此方案。
方案三：採用減速電機，具有永磁式和反應式的優點，扭力大，加速快，易於杆的擺動，適合設計要求 。
基於上面分析，電機選擇方案三。
1.4、電機驅動方案的論證與選擇
方案一：LM298N電機驅動控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路影響小。缺點功率器件工作在線性區，功率低和散熱問題嚴重，驅動功率小，而本系統電機功率大，而且壓降大，容易發熱，影響驅動性能。
方案二：TB6612內部集成雙全橋MOSFET驅動，輪換效率較高，單路可提供的1A的電流，且驅動功率大，體積小，不易發熱，
綜上考慮，選擇方案二。
二、系統理論分析與計算
2.1、系統可行性的分析
2.1.1、控制方案的分析
簡單地開環控制，根據電位計輸出信號來換算出PWM驅動電機轉動，電機容易驅動轉軸D錯過擺杆倒立位置，系統保持擺杆倒立不穩定。由於擺杆要倒立，就必須隨着轉軸D的轉動而動，在擺杆倒立時距中心軸線偏角比較大時就需要加速保持倒立採用典型的PID閉環控制方法，閉環控制能夠根據反饋信號知道擺杆和垂直位置偏差角度的大小輸出相適應的PWM控制電機的速度儘快恢復倒立狀態。單級倒立擺控制系統最經典的是PID控制方法，後續又出現LQR，模糊PID等一些控制方法，但是對於單級倒立擺，經典的PID已經足夠，對於多級倒立擺，如二級，三級則需要用到較爲複雜的數學模型，通過仿真得到比較理想的參數。對於四級倒立擺則需要更爲複雜的控制方法，由於條件有限，我們對該系統建立了比較理想的的基本模型，進行估算三個參數值，並進行不斷地調試，得到比較適合該系統的參數值。
2.1.2、角度傳感器的分析
由於編碼器比較貴，而且現有的條件我們不容易安裝，所以選擇了WDD35 D4電位計，價格比較合適，比較熟悉控制方法，而且該傳感器能夠360度無限圈旋轉，這就滿足該旋轉單級倒立擺的調試過程及其測試要求，但是該傳感器有一個盲區，0~10K分界線處出現跳轉，這一部分我們最初很不幸放在了最上面，似的在測試保持倒立時的PID參數時，電機響應太快擺杆剛有一很小角度，電機對應的PWM值出現跳轉，這時電機的速度很大，擺杆來不及保持倒立，轉軸D已經旋轉較大角度，擺杆擺出絕對值小於165度的範圍，電機不再反應，不能保持倒立，但是將盲區移開上面-165°~+165°時就可以解決電機響應過快這個問題，電機就可以按照控制的要求作出相應的響應速度。而且該電位計是塑料的比較輕，可以降低機械損失，方便系統的調試工作。
2.2、擺杆角度的有關計算
2.2.1、電位器信號與擺角的換算
電位計兩個端子接GND和3.3V，旋轉一週360度，而AD採集到的最大值爲4095，所以4095/360即爲單片機讀到的角度最小單位值。
2.2.2、角度輸出與PWM的換算
通過擺臂旋轉將經A/D轉換後的電壓值運用PID自動控制理論進行數據處理，可得到一個可作爲PWM佔空比，一次換算出PWM佔空比，賦值給電機，實現控制蒂娜及轉速的目的。
三、電路與程序設計
3.1、電路的設計
3.1.1系統總體框圖
系統總體框圖如圖1所示
圖1 系統總體框圖
3.1.2單片機STM32最小系統電路原理圖
圖2 供電5v子系統電路
3.1.3電機驅動子系統電路原理圖
圖3 電機驅動子系統電路
3.1.4穩壓電源子系統電路原理圖
圖4 穩壓電源子系統電路
3.1.5電源
使用12.6V航模電池通過LM2596模塊降壓到5V供單片機以及其他外設使用。
3.2、程序的設計
3.2.1程序功能描述與設計思路
1、程序功能描述
根據本題題目要求設計簡易旋轉倒立擺系統程序，題目中未涉及按鍵及顯示等要求，但爲對系統操作簡易化和功能分離化，能在系統調試中掌握相關數據的變化及時調整部分內容，在設計時加入按鍵和液晶顯示模塊，實現對系統實時監控的及時的調節。
本次按鍵設置僅爲對題目中不同要求的功能實現簡便切換。
顯示部分主要是對旋轉杆相對起始位置旋轉時角度變化，通過A/D轉換模塊時時輸出擺杆偏轉位置，從而參考對相關量的設定，調整。
2、程序設計思路
爲增強程序的可讀性使程序更清晰明瞭，在設計程序時結合相關問題，將程序有效地模塊化。做到見明知意，有效幫助理解各函數功能。
考慮到程序涉及模擬量數字量的轉換，PWM電機驅動，PID自動控制和液晶顯示輔助等內容，將程序按照此功能模塊系統劃分，逐步編寫，最後融合與主函數中，從而實現對題目系統的自動化控制。
3.2.2程序流程圖
1、主程序流程圖
圖5 程序流程圖
2、功能函數程序流程圖
圖6 功能函數程序流程圖
四、測試方案與測試結果
1、測試方案
模式1爲基本要求1：使擺動角度超-60或+60度，通過反覆試驗，記錄擺杆的擺角，控制PWM的佔空比與，換向時間，從而測出適合要求1的電機轉速與搖臂的轉動幅度。
模式2爲基本要求2：使擺杆做圓周運動，在要求1的基礎上加大PWM佔空比和換向時間，從而增大電機轉動速度和擺杆的擺角，使擺杆做圓周運動。
模式3爲基本要求3：使擺杆從-165°或+165°自動倒立平衡超過5S。我們採用PID算法，反饋量爲擺杆角度，輸出爲電機轉速，通過調節PID的參數，達到擺杆倒立平衡
模式4爲發揮部分1：使擺杆從垂直狀態到倒立平衡10s。在模式3的基礎上增加一個上擺的動作，使擺杆剛好擺到垂直位置通過調節PID的參數，達到擺杆倒立平衡。
模式5爲發揮部分2：在外界干擾下仍然保持倒立平衡，我們仍採用模式4 的程序代碼，敲擊擺杆，調節PID參數，使持續保持倒立平衡。
模式6爲發揮部分3：在加5克砝碼仍然保持倒立平衡我們仍採用模式4 的程序代碼，調節PID參數，使持續保持倒立平衡。
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原理圖完全相同，並且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。
測試儀器：高精度的數字毫伏表，模擬示波器，數字示波器，數字萬用表，指針式萬用表。
3、測試結果及分析
（1）測試結果(數據)
擺60度測試：在模式選擇後襬杆擺動一個來回後，擺角超過正負60度，擺動連續穩定，符合要求。
圓周運動測試：擺杆在兩個來回後順利做圓周運動。
倒立平衡測試：在擺杆165度左右擺杆迅速自動達到倒立平衡。
從垂直位置倒立平衡：經過反覆調試無法穩定。
（2）測試分析與結論
根據上述測試數據，電壓與擺杆角度關係，由此可以得出以下結論：
1、電壓與擺杆擺角基本呈線性關係說明電位計符合系統設計要求。
2、電機在擺杆在-165°~ +165°和垂直線間夾角與電機響應速度呈現相同趨勢，及時保持倒立。
3、擺杆不能再電位計盲區，否則不能正常控制，這不是人爲因素。
綜上所述，本設計達到設計要求。
五、結論與心得
本文分析了基於旋轉倒立擺的擺的平衡系統的結構和特點，結合了單片機控
制設計了平板控制系統。主要研究工作有以下幾個方面：
1、對測控系統的原理和組成進行了詳細的介紹確定了控制系統的總體設計方
案。
2、確定系統的主控模塊、檢測模塊、電源模塊、驅動模塊的的電路設計。以STM
公司的STM32F103RCT6爲核心，進行完成系統所需的各硬件所需的原理圖，採用
了WDD35數字電位計對電壓進行測量，從而換算成角度，並對傳感器的輸出進行了非線性校正以及一系列處理，提高了檢測系統的可靠性。
3、完成相關的分析算法
4、和各個功能模塊的應用程序的設計，實現了擺杆的平衡控制。整個軟件採用模塊化、結構化設計思想，使程序便於移植。
5、分析了控制系統中可能存在的各種干擾源，在設計控制系統時，採用軟件和
硬件抗干擾技術相結合的方法進行了抗干擾設計保證了控制系統的可靠性
六、參考文獻
[1] 譚浩強.C語言程序設計[M].北京:清華大學出版社,2012
[2] 模擬電路與數字電路 電子工業出版社 2009
[3].《電機學》 翟慶志//李豔軍//劉明丹//吳利斌 中國電力出版社 2011-04
[4].《全國大學生電子設計競賽系統設計》 黃智偉 北京行洪航天大學出版社 2011-02
[5].《全國大學生電子設計競賽常用電路模塊製作》 黃智偉 北京行洪航天大學出版社 2011-01
[6].《全國大學生電子設計競賽制作實訓》 黃智偉 北京行洪航天大學出版社 2011-01
附錄1：電路原理圖
圖7 電路原理圖
附錄2：源程序