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WDS35D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

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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

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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：①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°；②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；③在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°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：①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；②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；③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°。

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