全国电子设计大赛报告一等奖(2).doc下载

weixin_39822095 2023-03-19 19:30:11
2013年全国大学生电子设计竞赛 简易旋转倒立摆及控制装置(C题) 【本科组】 摘要: 通过对该测控系统结构和特点的分析,结合现代控制技术设计理念实现了以微控制 器MC9S12XS128系列单片机为核心的旋转倒立摆控制系统。通过采集的角度值与平衡位置 进行比较,使用PD算法,从而达到控制电机的目的。其工作过程为:角位移传感器WDS3 5D通过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过A/D采样后反馈给主控制器。控制器根据角 度传感器反馈信号进行PID数据处理,从而对电机的转动做出调整,进行可靠的闭环控制 ,使用按键调节P、D的值,同时由显示模块显示当前的P、D值。 关键字: 倒立摆、直流电机、MC9S12XS128单片机 、角位移传感器WDS35D、PD算法 目录 一、设计任务与要求 3 1 设计任务 3 2 设计要求 3 二 系统方案 4 1 系统结构 4 2 方案比较与选择 4 (1) 角度传感器方案比较与选择 4 (2) 驱动器方案比较与选择 5 三 理论分析与计算 5 1 电机的选型 5 2 摆杆状态检测 5 3 驱动与控制算法 5 四 电路与程序设计 6 1 电路设计 6 (1)最小系统模块电路 6 (2)5110显示模块电路设计 7 (3)电机驱动模块电路设计 8 (4)角位移传感器模块电路设计 8 (5)电源稳压模块设计 8 2 程序结构与设计 9 五 系统测试与误差分析 10 5.1 测试方案 10 5.2 测试使用仪器 10 5.3 测试结果与误差分析 10 6 结论 11 参考文献 11 附录1 程序清单(部分) 12 附录2 主板电路图 15 附录3 主要元器件清单 16 一、设计任务与要求 1 设计任务 设计并制作一套简易旋转倒立摆及控制装置。旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机 A固定在支架B上,通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端, 当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时,带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自 由旋转。如下图所示 2 设计要求 基本要求: 摆杆从处于自然下垂状态开始,驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆 摆动,并尽快使摆角达到或超过 60°~+60°; 从摆杆处于下垂状态开始,尽快增大摆杆 的摆动幅度,直至完成圆周运动; 在摆杆处于自然下垂状态下,外力拉起摆杆至接近1 65°位置,外力撤出同时,启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s;期间旋转 臂的转动不大于90°。 发挥部分: 从摆杆处于自然下垂状态开始,控制旋转臂作往复旋转运动,尽快使摆 杆摆起倒立,保持倒立时间不少于10s; 在摆杆保持倒立状态下,施加干扰后摆杆能继 续保持倒立或2s内回复倒立状态; 在摆杆保持倒立状态的前提下,旋转臂作圆周运动, 并尽快使单方向转过角度达到或超过360°。 二 系统方案 1 系统结构 系统包括MC9S12XS128单片机;直流电机和电机驱动模块;角位移传感器。由直流电 机来控制旋转臂转动从而来使摆杆摆动,在摆杆的转轴处加上角位移传感器,使摆杆一 开始能快速得摆动出来,并且能保持倒立的状态,框图如下: 2 方案比较与选择 (1) 角度传感器方案比较与选择 方案 选择角位移传感器:角位移传感器它采用非接触式专利设计,与同步分析器和 电位计等其他传统的角位移测量仪相比,有效地提高了精度。 方案 选择陀螺仪:陀螺仪传感器最主要的特性是它的稳定性和进动性。它是用来感 测和维持方向的装置,主要用在航空来判断方向,在此次设计中想到用陀螺仪来控制摆 杆角度,但判断比较复杂,不实用。 因此我们选择角位移传感器。 (2) 驱动器方案比较与选择 方案 选择L298:L298工作电压为12V,电流到2A。但是它的驱动能力弱,不满足我 们的需求。 方案 选择BTN7971:相对于L298,这款驱动器有着跟强大得驱动能力。它与单片机5 V隔离保护单片机;它的PWM1,PWM2最高支持15V,此驱动集成的模块反应迅速,发热量 小。 因此我们选择BTN7971。 三 理论分析与计算 1 电机的选型 一开始我们选择步进电机:步进电机可以实现开环控制,即通过驱动器信号输入的 脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制,无需反馈信号。它可以旋转极小的角 度,从而实现倒立摆的功能。但我们实际操作起来转速比较慢,加上旋转臂等后速度缓 慢。 后来选择直流电机:通过直流电机来带动旋转臂,从而带动摆杆。直流电机控制简 单,只要加上合适的电压就会转,转速相比步进电机更快,比较适合本题的要求,而且 更适用于PD算法,便于摆杆保持倒立状态。 2 摆杆状态检测 摆杆状态的检测主要要用角位移传感器,然后通过芯片内置AD每隔0.5ms读取到数据 ,再将数据转化成角度,通过PID算法调节电机直立效果。假如当摆杆在倒立状态时,然 , 相关下载链接:https://download.csdn.net/download/qq_43934844/87507642?utm_source=bbsseo
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2013年全国大学生电子设计竞赛 简易旋转倒立摆及控制装置(C题) 【本科组】 摘要: 通过对该测控系统结构和特点的分析,结合现代控制技术设计理念实现了以微控制 器MC9S12XS128系列单片机为核心的旋转倒立摆控制系统。通过采集的角度值与平衡位置 进行比较,使用PD算法,从而达到控制电机的目的。其工作过程为:角位移传感器WDS3 5D通过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过A/D采样后反馈给主控制器。控制器根据角 度传感器反馈信号进行PID数据处理,从而对电机的转动做出调整,进行可靠的闭环控制 ,使用按键调节P、D的值,同时由显示模块显示当前的P、D值。 关键字: 倒立摆、直流电机、MC9S12XS128单片机 、角位移传感器WDS35D、PD算法 目录 一、设计任务与要求 3 1 设计任务 3 2 设计要求 3 二 系统方案 4 1 系统结构 4 2 方案比较与选择 4 (1) 角度传感器方案比较与选择 4 (2) 驱动器方案比较与选择 5 三 理论分析与计算 5 1 电机的选型 5 2 摆杆状态检测 5 3 驱动与控制算法 5 四 电路与程序设计 6 1 电路设计 6 (1)最小系统模块电路 6 (2)5110显示模块电路设计 7 (3)电机驱动模块电路设计 8 (4)角位移传感器模块电路设计 8 (5)电源稳压模块设计 8 2 程序结构与设计 9 五 系统测试与误差分析 10 5.1 测试方案 10 5.2 测试使用仪器 10 5.3 测试结果与误差分析 10 6 结论 11 参考文献 11 附录1 程序清单(部分) 12 附录2 主板电路图 15 附录3 主要元器件清单 16 一、设计任务与要求 1 设计任务 设计并制作一套简易旋转倒立摆及控制装置。旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机 A固定在支架B上,通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端, 当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时,带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自 由旋转。如下图所示 2 设计要求 基本要求: 摆杆从处于自然下垂状态开始,驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆 摆动,并尽快使摆角达到或超过 60°~+60°; 从摆杆处于下垂状态开始,尽快增大摆杆 的摆动幅度,直至完成圆周运动; 在摆杆处于自然下垂状态下,外力拉起摆杆至接近1 65°位置,外力撤出同时,启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s;期间旋转 臂的转动不大于90°。 发挥部分: 从摆杆处于自然下垂状态开始,控制旋转臂作往复旋转运动,尽快使摆 杆摆起倒立,保持倒立时间不少于10s; 在摆杆保持倒立状态下,施加干扰后摆杆能继 续保持倒立或2s内回复倒立状态; 在摆杆保持倒立状态的前提下,旋转臂作圆周运动, 并尽快使单方向转过角度达到或超过360°。 二 系统方案 1 系统结构 系统包括MC9S12XS128单片机;直流电机和电机驱动模块;角位移传感器。由直流电 机来控制旋转臂转动从而来使摆杆摆动,在摆杆的转轴处加上角位移传感器,使摆杆一 开始能快速得摆动出来,并且能保持倒立的状态,框图如下: 2 方案比较与选择 (1) 角度传感器方案比较与选择 方案 选择角位移传感器:角位移传感器它采用非接触式专利设计,与同步分析器和 电位计等其他传统的角位移测量仪相比,有效地提高了精度。 方案 选择陀螺仪:陀螺仪传感器最主要的特性是它的稳定性和进动性。它是用来感 测和维持方向的装置,主要用在航空来判断方向,在此次设计中想到用陀螺仪来控制摆 杆角度,但判断比较复杂,不实用。 因此我们选择角位移传感器。 (2) 驱动器方案比较与选择 方案 选择L298:L298工作电压为12V,电流到2A。但是它的驱动能力弱,不满足我 们的需求。 方案 选择BTN7971:相对于L298,这款驱动器有着跟强大得驱动能力。它与单片机5 V隔离保护单片机;它的PWM1,PWM2最高支持15V,此驱动集成的模块反应迅速,发热量 小。 因此我们选择BTN7971。 三 理论分析与计算 1 电机的选型 一开始我们选择步进电机:步进电机可以实现开环控制,即通过驱动器信号输入的 脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制,无需反馈信号。它可以旋转极小的角 度,从而实现倒立摆的功能。但我们实际操作起来转速比较慢,加上旋转臂等后速度缓 慢。 后来选择直流电机:通过直流电机来带动旋转臂,从而带动摆杆。直流电机控制简 单,只要加上合适的电压就会转,转速相比步进电机更快,比较适合本题的要求,而且 更适用于PD算法,便于摆杆保持倒立状态。 2 摆杆状态检测 摆杆状态的检测主要要用角位移传感器,然后通过芯片内置AD每隔0.5ms读取到数据 ,再将数据转化成角度,通过PID算法调节电机直立效果。假如当摆杆在倒立状态时,然

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