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基于自由摆的平板控制系统.doc

发布时间：2022-06-02 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.58M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    目 录
    一、方案的设计和论证
    1、控制器的选择
    2、电机的选择
    3、电机驱动的选择
    4、角度测量方案
    二、系统总体设计方案及实现方框
    三、理论分析与计算
    1、平板状态测量方法
    2、建模与控制分析
    2.1、重物的受力分析及控制思路
    2.2、激光笔转角的确定
    3、离散型PI控制的设计
    四、主要功能电路的设计
    1、传感器电路
    2、滤波跟随器
    3、电机驱动模块
    4、采样模块
    5、电源系统
    五、系统软件的设计
    1、软件的设计
    2、软件流程图
    六、测试数据与分析
    1、使用仪器及型号
    2、测试方案
    3、测量数据
    3.1、基础部分
    3.2发挥部分
    4、数据分析
    八、附录
    1、传感器电路
    2、滤波跟随器
    3、电机驱动模块
    4、采样模块
    5、电源模块
    6、软件流程图
    基于自由摆的平板控制系统 摘 要： 本系统以 MSP 430 449 摆臂倾角和平板倾角进行监控，通过 F 为主控芯片，在自由摆摆动过程中，利用 60 SCA C 对 MAX 对倾角传感器采集的模拟量进行 197 A D 转换并传送至 MSP ，单片机通过相应的算法实现控制策略，产生相应的 430 控制量，使步进电机转动，从而带动平板运动，达到目标运动状态。该系统是一 个闭环的控制系统，数据处理中用到了离散型 PI 控制算法。 关键字： MSP 430 自由摆 闭环控制 倾角传感器
    目 录 一、方案的设计和论证 .................................................................................................................... 1 1、控制器的选择...................................................................................................................... 1 2、电机的选择 .......................................................................................................................... 1 3、 电 机 驱 动 的 选 择 ............................................................................................................. 1 4、 角 度 测 量 方 案 ..................................................................................................................2 二、系统总体设计方案及实现方框................................................................................................2 三、理论分析与计算........................................................................................................................ 2 1、平板状态测量方法.............................................................................................................. 2 2、建模与控制分析 .................................................................................................................. 2 2.1、 重 物 的 受 力 分 析 及 控 制 思 路 ......................................................................... 2 2.2、激光笔转角的确定...................................................................................................3 3、离散型 PI 控制的设计........................................................................................................4 四、主要功能电路的设计................................................................................................................ 4 1、 传 感 器 电 路 ...................................................................................................................... 4 2、 滤 波 跟 随 器 ...................................................................................................................... 5 3、 电 机 驱 动 模 块 ..................................................................................................................5 4、 A D 采 样 模 块 ................................................................................................................. 5 5、 电 源 系 统 ........................................................................................................................... 5 五、系统软件的设计........................................................................................................................ 5 1、软件的设计 .......................................................................................................................... 5 2、 软 件 流 程 图 ...................................................................................................................... 6 六、测试数据与分析........................................................................................................................ 6 1、使用仪器及型号 .................................................................................................................. 6 2、测试方案.............................................................................................................................. 6 3、测量数据.............................................................................................................................. 6 3.1、基础部分 .................................................................................................................. 6 3.2 发挥部分 ..................................................................................................................... 6 4、数据分析.............................................................................................................................. 6 八、附录 ............................................................................................................................................ 6 SCA C 电 路 .....................................................................................................7 1、 传 感 器 2、 滤 波 跟 随 器 ...................................................................................................................... 7 3、电机驱动模块...................................................................................................................... 7 4、 A D 采 样 模 块 ................................................................................................................. 8 60 5、电源模块.............................................................................................................................. 8 6、软件流程图 .......................................................................................................................... 8 2
    一、方案的设计和论证 根据题意可知，本系统是一个典型的闭环控制系统，组成模块有控制器、电 机驱动、步进电机、检测模块，其整体结构如图一所示： 主控制器 电机驱动 步进电机 平板 信号处理 角度传感器 图一 运动控制系统及其组成 该动态自动平衡测试系统中，通过倾角传感器的反馈获得自由摆当前所处的 角度位置，控制驱动模块实现实时读取传感器反馈的数据，通过处理器内部的控 制算法实现控制策略（电机转动的方向、速度大小），产生相应的控制量，使电 机转动，从而带动被控制对象运动，达到目标运动状态。 1、 控制器的选择 方案一：采用 51 系列单片机，该类单片机的抗干扰能力较强，上手容易， 应用比较广泛，但其 I\O 口比较有限，而系统的实现程序量较大，所需的 I\O 口资源较多，51 单片机在这一点上难以胜任。 方案二：利用 TI 的单片机 MSP430，该芯片集成了模拟电路、数字电路、微 处理器，具有 AD 采样、比较器、产生 PWM 控制信号等功能。此外，MSP430 有更 充足的 I/O 口，可以很好的实现整个系统的控制。 综上分析，系统采用方案二。 2、电机的选择 方 案 一 ：使用舵机控制，该方案控制简单灵活，每一个脉冲便有一个方向 角，舵机转动的角度和脉宽成比例，通过改变脉冲的宽度便可以灵活的控制舵机 的转角，可操作性较好，且功耗较小。 方 案 二 ： 采 用 步 进 电 机 。 步进电机的速度易于控制，具有快速启/停能 力，可在一刹那间实现启动或停止；它的转动角度严格可控，一般情况步距角可 以降低到 0.9 度，步进电机延时短，定位准确，精度高，可控制性强。 由 于 题 中 有 要 求 旋 转 360 度 ，在 这 方 面 舵 机 无 法 实 现 ，为 了 方 便 地 对 角 度 进 行 控 制 ， 这 里 系 统 采 用 步 进 电 机 。 3、 电 机 驱 动 的 选 择 方 案 一 ： 利用驱动专用芯片 L298，L298 是集成的桥式驱动电路，最大驱 动电流可达到 4A。该芯片使用时外围电路简单，控制方法十分方便。而且其驱 动效果良好，配合 L297 可实现步进的精确控制。 方案二：使用细分芯片 THB7128，该驱动芯片将 L298、L297 集成，并将电 机的工作方式增设为八种，通过 M1、M2、M3 的选择来控制细分数，且该芯片 具有发热量小的优点，最大细分可达 128 细分 。 由于 L298 芯片发热量大，若不注意散热及电路保护极容易烧毁，故不太稳 定，为了达到精确的控制，且在电机运行过程中有较小的步进角而不产生失步， 1
    系统选用方案二作为步进电机的驱动模块。 4、 角 度 测 量 方 案 方 案 一 ：采 用 倾 角 传 感 器 SCA C 可 以 在 水 平 单 方 向 对 90  的角度进行测量，该方案将传感器固定于摆杆上，摆杆运动 时，则可实时对角度测量。 SCA C 对 角 度 进 行 测 量 ， 60 60 方案二：使用码盘，将码盘固定在摆杆的摆轴上，若其分辨率为1024 ，则 码盘会在每 0.3515625 度输出一个脉冲，且通过 AB 脉冲的相位比较可以判断码 盘的转动方向，以最低点为起始位，则可判断摆杆当前的位置。 方案一中数据的采集需使用 A D 转换，方案二只需计数便可，且方案二的 SCA C 是可以做到 精确度和稳定性较高，但其安装难以实现，在 60 范围内， 60 较精准的测试，综合考虑，采用方案一。 二、系统总体设计方案及实现方框 在该闭环控制系统中，倾角传感器 60 SCA C 对角度信息进行实时采集，形成 反馈，通过信号调理和 A D 转换将反馈信号交由单片机处理，经算法处理后再 形成输入信号，控制步进电机达到目标运动状态。键盘用于确定系统的工作状态， 12864 则是用于人机交换，系统结构方框图如下： 电源系统 电机驱动 摆架系统 步进 电机 MSP430 AD 转换 信号 调理 倾 角 传 感器 键盘 12864 图二 总体方框图 三、理论分析与计算 1、平板状态测量方法 为 了 检 测 平 板 的 状 态 ， 系 统 在 平 板 上 也 装 有 倾 角 传 感 器 ， 但 传 感 器 60 SCA C 测量静态角度时较稳定，当平板摆动时，因加速度的影响使得数据采集 不可靠。启动瞬间，系统在在高点读取平板的偏转角度和摆臂的角度，摆动 过程，在读取变化后的摆臂角度 ' ，利用 '     作为当前平板角度，单片机 ( ) 利用算法使步进电机旋转，则平板的最终状态为 2、 建模与控制分析 2.1、 重 物 的 受 力 分 析 及 控 制 思 路      。   ( ' ) 当 把 平 板 手 动 移 至 最 高 点 松 开 手 ，在 任 意 时 刻 ，硬 币 的 受 力 如 下 所 示 ，要 使 硬 币 不 滑 落 ，则 应 尽 量 只 用 支 持 力 和 重 力 提 供 向 心 加 速 度 ，即 2
    在 理 想 建 模 中 ，默 认 为 静 摩 擦 力 始 终 为 零 ，起 始时，有 h l   cos l  ，运 动至 '    l l cos '  ，根据能量守恒定律有 mgh mgh mv   ' 2 2 ，而任意时刻硬币 所受的合力 NF  2 mv l ，解三 角 形 ，其 中 x F  合 ' sin ,  y F  合 cos '  ，则可求得： tan   x y mg   2(cos  2(cos ' ' cos )sin     ' ' cos )cos     1 该 方 程 式 所 反 应 的 为 任 意 时 刻 ， 平 板 角 度 和 悬 臂 的 角 度之间的关 系，用 MATLAB 进行仿真，可得到如下拟合的  曲线。则在运动过程中，通 过读取起始角度和任意时刻的角度 ' ，便可以通过软件算出，控制步进电机 产生相应的偏角，即可达到动态的平衡。而在现实的调节中，静摩擦力 f 是存在 的，这使得的调整范围变得更大，故只要软件做出逼近的调整，便可以使系 统动态平衡。 8 7 6 5  4 3 2 1 0 0 图三 受力分析 和 '关 系 =30 =35 =40 =45 5 10 15 20 ' 25 30 35 40 45 2.2、激光笔转角的确定 图四 和拟合关系 假设最低点时摆臂的转角为 0，把摆臂提升至某一位置，此时 0 ，则摆 ，在水平方向的距离为 sinR R，此时在水平 臂距离最低点的高度为 (1 cos )  R 方向上，激光头距离白纸板距离为1.5  sinR  。由于构成的是直角三角形，此时 3
    激光所对正原点的角度 tan   R (1 cos ) (1.5    R sin )  。同理可得， 0 时， tan   R (1 cos ) (1.5    R sin )  。通过 MATLAB 可以对该公式进行拟合，得到的 了和之间的关系： 0 ；   2.41 10   5 3  +4.54 10   3 2  -1.316 10   2  -0.02 0 ；   2.06 10   5 3  +1.09 10   2 2  -9.06 10   2  -0.02 该即为计算出的平板达到目标位置应偏转的角度，该角度可以通过离散型 PI 控制算法来完成。 3、离散型 PI 控制的设计 在激光笔跟踪原点过程中，为了使激光笔正对原点，利用拟合计算的和 每次偏转后的角度 '进行比较，得到  x a  ' ，调整逐次逼近并达到校正对原 点的给定值 x ,当程序判定 ( )x t x 时即说明激光束已对准原点。算法中将其输 出作为一个有效采样值 ( )x t ，再使用 PI 算法将校准值与实际值的偏差量作为输 入量，通过不断修正偏差量的值使输出值快速地逼近校准值,PI 算法的一般公如 下： ( ) y t  ( ) K x t P     1 T I ( ) x t dt      y 0 式中比例 PK 值设为 1， ( )y t 为处理后输出量， ( )x t 为偏差值输入量， IT 为积 分时间常数, 0y 为 PI 调节前的输出量。通过积分防止了干扰信号造成的突变量 的影响，但由于 ( )x t 的每次取值都有一个采样时间间隔使该函数较离散，所以将 上式修改为： ( ) y t  ( ) K x t P     1 s  T  i I 0 ( ) x t     y 0 其中 s   ，t 为输入比较总量，n 代表跳变较大的突变量。如此边可做到 t n 过滤突变量影响的作用，该算法称为离散型 PI 控制算法。 四、主要功能电路的设计 1、 传 感 器 电 路 传感器的输出信号对电源供应是敏感的，不稳定的电源电压将影响器件的输 出信号。倾角传感器的模拟输出是比例度量的，因此，任何电源波动都将直接引 起模拟输出的相应变化，比例度量误差可能引起较大的测量误差，要达到传感器 最好性能，其电源应为稳定的5V 电源，在此，系统采用 ,该芯片为基 5050 REF 4
    准源供给，其输出电流可达10mA ,足够驱动倾角传感器，其输出稳定，漂移小， 精度比较高，其原理图见附录图五。另外，系统采用了两片倾角传感器，一片安 置与摆臂的转轴处用于测量摆臂的偏转角度，另一片安放在平板上，用于在静 态是测量平板的初始偏转角。 2、 滤 波 跟 随 器 SCA C 的输出是缓变的直流信号，在电路中由于有步进电机的存在，使得 电路中存在较大的串扰，为了提高传感器的抗干扰能力以及输出信号的稳定，将 60 倾角传感器的输出经低通滤波器处理，在通过 27OP 构成的跟随器送往 A D 处理 模块，其原理图见附录图六。 3、 电 机 驱 动 模 块 电 机 驱 动 使 用 细 分 芯 片 THB7128，根据 PDF 采用该芯片的典型应用电路， 原理图见附录图七。检测电阻选用1 的功率电阻，则电流和基准电压的设置按 如下的公式计算 。 1OSC 为衰减时间设置，在此取电容为 220 pF 。 5  V ref I R O S 4、 A D 采 样 模 块 A D 采样模块使用美信公司的 MAX ，该转换模块是可编程 8 通道 12 197 位多路复用 A D 转换芯片，具有5MHz 的跟随保持带宽、100ks s 的采样速率、 8 4 位并行接口，通过读写三态数据 I O 端口，可以控制对数据总线的访问和释 放，该芯片的稳定性较高，其电路原理图见附录图八。 5、 电 源 系 统 本 系 统 采 用 自 制 电 源 ， 利 用 317, LM LM 将 市 电 转 变 为 所 需 的 稳 337 REF 定 电 压 ，稳 定 后 的 电 压 为 12V ,用于提供跟随器的正负电源，另使用 7805 将 12V 稳压为5V ，用于提供单片机的供电电源，对于精密检测元件的电源，则是 MAX ，对于电机的供电，则是另使用一个12V 使用 的通道，以避免给传感器的检测带来串扰。同时，应注意对地线的处理，系统使 用单点接地，且在每个芯片的供电端加上滤波电容以增强稳定性，电源的设计见 附录图九。 ，如倾角传感器、 197 5050 五、系统软件的设计 1、软件的设计 为了加强系统采样的稳定性，系统对 A D 采集的数据进行软件滤波，滤波 方式为限幅均值滤波，设计为每采集 10 次数据后，去掉该组数据中的最大值和 最小值，再将剩余的 8 个数据去平均值作为倾角的采集信息。 在放置硬币的摆动中，虽然对稳态时的做了公式推理，但在摩擦力小于最 大静摩擦力时，力学的分解使得的值有更多的余量，这就不需要特别精确的控 制，只需让其逼近便可以使得硬币不掉落。 5
    由于系统含有多种运行模式，则在实际过程中需添加键盘来实现人机交换。 2、 软 件 流 程 图 软 件 流 程 图 的 设 计 见 附 录 图 十 。 六、测试数据与分析 1、使用仪器及型号 浪潮计算机： CPU+内存+操作系统 直流稳压稳流电源：型号 YB1731A 数字存储示波器： 型号 GOS-1062 数字信号源： 2、测试方案 型号 SG1040 3A 万用表：型号 MS8265 其它设备：量角器 秒表 根据题目所要求的指标分项进行测试，每次测试时将摆臂旋转至所规定的角 度范围，用量角器量取角度并记录下来，松手让摆臂开始摆动在固定的周期量取 所需的指标，分别测量平板的便宜角度、硬币的移动距离、硬币的累积个数、激 光的便宜距离以及反应时间，具体测试数据如下所示。 3、 测量数据 3.1、基础部分 （1）平板随着摆杆的摆动而旋转 摆臂旋转周期数 4 7 5 8 绝对偏差值 3 5 （2）一枚硬币摆动 30 至 45 度 30 0.2 （3）八枚硬币摆动 45 至 60 度 硬币偏移位置/cm 摆动角度 摆动角度 滑落硬币数 3.2 发挥部分 （1）30 至 60 度跟踪原点 摆臂角度 跟踪时间 偏移距离 30 2.49 0.1 （2）摆臂摆动，动态跟踪原点 45 3 1 35 0.1 40 0.2 50 4 40 3.50 0.3 2 55 7 50 4.85 0.8 3 45 1 60 8 60 6.12 1 4 实验次数 偏移距离 4、数据分析 偏差较大 偏差较大 偏差较大 偏差较大 由于摆轴的固定不是很好，在平板随着摆杆的摆动过程中容易出现圆锥摆， 这使得系统在跟踪原点时出现水平方向较大的偏差，但在竖直方向上的误差较 小。在八枚硬币时，由于初始动作处理不是很好，所以该部分的指标不是很好。 且在发挥部分二中，系统的动态跟踪不是很好，使得在摆臂摆动过程中无法完成。 八、附录 6
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