2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽C題資料

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（【本科組】C題）2013年9月4日簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置摘要：本作品采用了 TI公司MSP430單片機作為控制器，實現(xiàn)了簡易旋轉(zhuǎn)倒立控 制系統(tǒng)。本作品選擇兩相四線步進電機作為旋轉(zhuǎn)倒立擺的驅(qū)動裝置， 通過精密導(dǎo) 電塑料角位移傳感器獲取擺桿的角度，實現(xiàn)對擺桿E運動狀態(tài)的檢測，以此角位移傳感器的測量值作為反饋量，通過PID算法控制步進電機的運動方向和單位時 間內(nèi)運動的步數(shù)，實現(xiàn)對擺桿E角度的控制以及倒立擺的起擺和倒立平衡。本作品可以實現(xiàn)對E擺桿運動狀態(tài)的檢測、倒立擺、起擺以及倒立擺的倒立平衡控制， 具有起擺速度快、倒立擺平衡狀態(tài)穩(wěn)定、抗干擾

2、能力強等特點。關(guān)鍵字： 旋轉(zhuǎn)倒立擺 步進電機 PID 算法Abstract:This paper describes a control based on TI's MSP430 microcontroller simple rotary inverted control system. The system uses the West An Jiusheng 57HS56 08 type two-phase four-wire stepper motor as the power source of the system. In WDS35D4 precision conductiv

3、e plastic angular displacement sensor as the only sensor to realize the system E pendulum motion detection, and so the sensor feedback value as the amount of feedback through software algorithm to determine E pendulum motion by changing the stepper motor the steering and speed to control the state o

4、f motion of the pendulum E. Test results had showed that: the system can realize the E pendulum motion detection and control. And the system also has a simple structure, enabling strong, control and stability advantages.Keywords: Rotating balance handstand tepper motor angular displacement一：系統(tǒng)方案1.1系

5、統(tǒng)結(jié)構(gòu)：本系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成，包括：MSP430單片機、液晶顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、角位移傳感器、步進電機驅(qū)動模塊以及步進電機。其中，MSP430單片機作為主控制器實現(xiàn)對液晶顯示模塊、矩陣鍵盤 模塊的控制；其內(nèi)部集成的12位ADC實現(xiàn)對角位移傳感器的電壓采樣及 轉(zhuǎn)換；同時通過控制步進電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)對步進電機運動方向和運動步數(shù)的控制為實現(xiàn)主控制器對步進電機驅(qū)動模塊的控制，需要通過電平匹配模塊進行控制信號的電平轉(zhuǎn)換和匹配；電平匹配模塊由光耦實現(xiàn)。本作品簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下:（菜單選擇）矩陣鍵盤MSP43012864液晶（菜單顯示）（檢測E桿狀態(tài)）<、 角位移傳感

6、器電平匹配步進電機驅(qū)動控制算法步進電機圖1.1簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.2方案比較與選擇：方案一：由TI公司的MSP430乍為MCU MSP430獲取安裝在 E擺桿上的 MPU605陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)。MSP430經(jīng)運算分析將控制信號輸出至步進電機驅(qū)動 器。驅(qū)動器控制步進電機的轉(zhuǎn)速、步數(shù)、和旋轉(zhuǎn)方向來控制C旋轉(zhuǎn)臂以達到控制 E擺桿運動狀態(tài)的目的。方案二：由TI公司的MSP43C作為MCU MSP43C獲取作為D轉(zhuǎn)軸的精密導(dǎo)電塑料角位移傳感器的電壓值來進行判斷系統(tǒng)狀態(tài)。 MSP430經(jīng)運算分析將控制 信號輸出至步進電機驅(qū)動器。 驅(qū)動器控制步進電機的轉(zhuǎn)速、 步數(shù)、 和旋轉(zhuǎn)方向來 控制C

7、旋轉(zhuǎn)臂以達到控制E擺桿運動狀態(tài)的目的。由于E擺桿需要做圓周運動，并且需要其狀態(tài)穩(wěn)定性高，如果采用方案一會 對系統(tǒng)布線帶來很大的困難，并且在E擺桿上安裝傳感器會使其質(zhì)地不均勻， 增 大控制難度。方案二采用精密導(dǎo)電塑料角位移傳感器將 D軸和傳感器合二為一。 精度高，存在 <=3°測量死角，電路簡單，布線方便。精密導(dǎo)電塑料角位移傳感 器測量死角問題可以通過機械結(jié)構(gòu)將測量死角調(diào)節(jié)至不需要測量的位置， 不需要 陀螺儀極高的精確度，機械結(jié)構(gòu)布線較為容易。綜合以上兩種方案 , 選擇方案二。二：理論分析與計算2.1 電機選型：方案一：采用直流減速電機。直流減速具有推力大、 傳動剛度高、動態(tài)響應(yīng)

8、快、行程長度不受限制等特點。 方案二：采用伺服電機。伺服電機是靠脈沖來定位的， 電機接收到 1 個脈沖，會旋轉(zhuǎn) 1 個脈沖對應(yīng)的 角度，同時電機本身發(fā)出一個脈沖與接收的脈沖相呼應(yīng)， 單片機則根據(jù)發(fā)出與接 收到的脈沖對電機實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)動。方案三：采用步進電機。步進電機是純粹的數(shù)字控制電動機， 它將電脈沖信號直接轉(zhuǎn)換成角位移， 在 非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。 其轉(zhuǎn)角精確 （采用 128 細分驅(qū)動可以實現(xiàn) 0.014 度的步進角控制 ），扭矩大，角度 控制易實現(xiàn)?？紤]題目的要求， 由于需要對角度進行精確控制， 并且旋轉(zhuǎn)圈數(shù)并不需要很 多，考慮到驅(qū)動電路的簡

9、單性， 為了實現(xiàn)電機控制的方便性和精確性， 采用方案 三的步進電機。2.2 擺桿狀態(tài)檢測：方案一：在擺桿上面放置陀螺儀或者加速度計作為傳感裝置。 陀螺儀可以三 個軸向檢測運動狀態(tài)，誤差很小，精確度和靈敏度極高，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，且具有零點漂移特性。方案二：采用精密導(dǎo)電塑料角位移傳感器作為傳感裝置。 其線形度高、 噪聲 小，電路設(shè)計簡單，同時可以直接作為 D 轉(zhuǎn)軸減少結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳感器裝配難度。 但其存在 <=3°的測量死角?？紤]題目要求，題目只需測量E擺桿一個方向的變量且需要其質(zhì)地均勻， 精 密導(dǎo)電塑料角位移傳感器測量死角問題可以通過機械結(jié)構(gòu)將測量死角調(diào)節(jié)至不 需要測量的位置，故選

10、擇方案二。擺桿狀態(tài)檢測的方法如下：精密導(dǎo)電塑料角位移傳感器將 D軸和傳感器合二 為一。將參考電壓加至傳感器兩端，通過分壓接法將E擺桿與垂直方向的角度與 03.3V 電壓值一一對應(yīng)，可以計算得出擺桿當(dāng)前的位置，并作為系統(tǒng)的反饋量， 使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)，達到穩(wěn)定。2.3 驅(qū)動與控制算法：2.3.1 步進電機驅(qū)動：高細分步進電機驅(qū)動器，電源要求直流 24V,易實現(xiàn)，細分高，細分范圍 大，調(diào)節(jié)細分方便， 可精確控制步進電機。 因此采用高細分步進電機驅(qū)動器 （128 細分）作為步進電機的驅(qū)動器。2.3.2 控制算法：系統(tǒng)采用經(jīng)典的 PID 控制算法將精密導(dǎo)電塑料角位移傳感器采集回來的電 壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后作為

11、反饋量，將E擺桿處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)（豎直向上）的 AD 轉(zhuǎn)換值作為期望值，利用 PID 控制算法，通過反饋量與期望值的偏差來判斷 E 擺桿的運動狀態(tài)，并通過調(diào)節(jié)步進電機的旋轉(zhuǎn)方向， 速度，步數(shù)來控制C旋轉(zhuǎn)臂 達到控制 E 擺桿運動狀態(tài)的目的。三：電路與程序設(shè)計3.1 電路設(shè)計：本系統(tǒng)由TI公司的MSP430乍為MCU MSP43C獲取精密導(dǎo)電塑料角位移傳 感器的電壓值來進行判斷系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)矩陣鍵盤的按鍵控制選擇控制模式。 并以LCD顯示模式狀態(tài)。MSP430S運算分析將控制信號輸出至步進電機驅(qū)動器。 驅(qū)動器連接步進電機進行狀態(tài)控制。由于高細分步進電機驅(qū)動器控制信號為 5V 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而MS

12、P430是3.3V超低功耗MCU因此為了使系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作需要在MSP43如步進電機驅(qū)動器之間用 PC817做電平匹配。系統(tǒng)電源由可跟蹤直流 電壓源提供。系統(tǒng)總電路圖見圖3.15V丁P1.D為進電機藍"空蠱電機綠一步進電機lI)24V2TC-NIjPC817419345V瞥TG5D匸17卩辻3丄g£dJ.W1 234_負1U0P4J p77 pTT 77T pi TTc pTcITITPL!il/-2麥暹電機黃步迸電機LCD12<64MSP430G2SJG?O圖3.1簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置電路原理圖圖基本要求（3）程序流程圖四：測試方案與測試結(jié)果4.1基本要求（1）

13、測試方案與測試結(jié)果分析測量儀器：量角器（精度1°）,秒表。測試方法：將E擺桿垂直向下，測量土 60。位置，開啟系統(tǒng)用矩陣鍵盤選擇 菜單至擺動，并用秒表計時。當(dāng) E擺桿左右擺動兩次超過土 60。計時結(jié)束。重復(fù)10次上述操作并記錄在表4.1中。表4.1基本要求（1）測試結(jié)果測試次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次到達60 ° 時間（s）1.2s1.0s1.5s1.2s1.3s測試次數(shù)第六次第七次第八次第九次第十次到達60 ° 時間（s）1.1s1.0s1.5s1.6s1.5s平均值=（1.2+1.0+1.5+1.2+1.3+1.1+1.0+15。+1.6+1.5）/10

14、=1.29s結(jié)論：本作品可以很快甚至超標(biāo)完成基本要求（1），并且運動狀態(tài)穩(wěn)定4.2基本要求（2）測試方案與測試結(jié)果分析測量儀器：量角器（精度1°），秒表。測試方法：將E擺桿垂直向下，開啟系統(tǒng)用矩陣鍵盤選擇菜單至圓周，并用 秒表計時。當(dāng)E擺桿旋轉(zhuǎn)一周計時結(jié)束。重復(fù)10次上述操作并記錄在表4.2中。表4.2基本要求（2）測試結(jié)果測試次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次完成圓周時間（S）1.81.61.92.02.1測試次數(shù)第六次第七次第八次第九次第十次完成圓周時間（S）2.12.1失敗1.61.5平均值=(1.8+1.6+1.9+2.0+2.1+2.1+2.1+1.6+1.5) /9 1.

15、86s第八次測試失敗經(jīng)多方面考慮研究發(fā)現(xiàn)： 系統(tǒng)完成時間一直增加，由此得出 系統(tǒng)C旋轉(zhuǎn)臂周期在增加，經(jīng)分析得，由于步進電機與C旋轉(zhuǎn)臂之間的連接器材 質(zhì)為鋁，質(zhì)地較軟，且根據(jù)杠桿原理可得，當(dāng)步進電機反向運動時，連接器受到 很大的力使其產(chǎn)生松動。將連接器緊錮螺絲重新擰緊后系統(tǒng)恢復(fù)正常，時間大概 在1.8秒左右。結(jié)論：本作品可以很快完成基本要求（2），并且運動狀態(tài)穩(wěn)定。4.3基本要求（3）測試方案與測試結(jié)果分析測量儀器：量角器（精度1°），秒表。測試方法：測量165°位置，將E擺桿拉至165°位置，開啟系統(tǒng)用矩陣鍵盤 選擇菜單至倒立，放開E擺桿，并請隊友用秒表計時。當(dāng)E

16、擺桿15s內(nèi)一直處于 倒立狀態(tài)記為成功，否則失敗。重復(fù)10次上述操作并記錄在表4.3中。表4.3基本要求（3）測試結(jié)果測試次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次是否倒立15s失敗成功成功失敗成功測試次數(shù)第六次第七次第八次第九次第十次是否倒立15s成功失敗成功成功失敗結(jié)論：由于PID參數(shù)調(diào)節(jié)需要時間，而且在實現(xiàn)第三個基本要求時發(fā)現(xiàn)E擺桿質(zhì)地較輕，反饋不及時，再加之摩擦力的存在，PID參數(shù)與計算值存在一定偏差，不易控制。所以成功率低至 60%由于基本要求（1）和基本要求（2）均 以此擺桿調(diào)節(jié)好參數(shù)，如果更換E擺桿無法保證短時間從新調(diào)節(jié)至穩(wěn)定。 因此我 們?nèi)匀辉谡腋玫乃惴▉斫鉀Q基本要求（3）。4.4發(fā)

17、揮部分（1。測試方案與測試結(jié)果分析測量儀器：秒表（2塊）。測試方法：將E擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，開啟系統(tǒng)用矩陣鍵盤選擇菜單至發(fā)揮1,并使秒表1開始計時，當(dāng)E擺桿被穩(wěn)定至最高點時停止計時秒表 1并同時 使秒表2開始計時，當(dāng)E擺桿15s內(nèi)一直處于倒立狀態(tài)記為成功，否則失敗。將 秒表1的時間記錄在完成倒立時長。秒表 2超過15s記為成功。重復(fù)10次上述操作并記錄在表4.4中。表4.4發(fā)揮部分（1）測試結(jié)果測試次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次完成倒立時長（s）倒立超過15s測試次數(shù)第六次第七次第八次第九次第十次完成倒立時長（s）倒立超過15s4.5發(fā)揮部分（2）測試方案與測試結(jié)果分析測量儀器：量角器，

18、細線（20cm），砝碼（5g），測試方法：用細線把砝碼懸掛，將 E擺桿處于倒立狀態(tài)，開啟系統(tǒng)，用矩陣 鍵盤選擇菜單至發(fā)揮2,等E擺桿穩(wěn)定倒立時將砝碼拉至 5°并釋放砝碼使其撞 擊E擺桿，若E擺桿在2s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定倒立狀態(tài)，記為成功，否則失敗。重復(fù)10次上述操作。記錄10次中成功次數(shù)。拉起砝碼，使細線與垂直線夾角依次增大5°,重復(fù)上述操作。并記錄至表4.5 中。表4.5發(fā)揮部分（2）測試結(jié)果測試次數(shù)15°20°25°30°35°成功次數(shù)測試次數(shù)40°45°50°成功次數(shù)4.6發(fā)揮部分（3）測試方案與測試結(jié)果分析測量儀器：秒表測試方法：將E擺桿拉至倒立狀態(tài)，開啟系統(tǒng)用矩陣鍵盤選擇菜單至發(fā)揮 3,并使秒表開始計時，旋轉(zhuǎn)一周計