平衡杆小车论文

2014年TI杯福建省大学生电子设计竞赛平衡杆小车（B题）【本科组】2014年9月6日I摘要摘要：本平衡杆小车采用飞思卡尔单片机作为主控芯片，用全桥电机驱动模块驱动电机，飞思卡尔单片机结合角度编码器通过PID算法控制电机驱动模块驱动四个减速电机，使小车前进后退控制车上摆杆实现倒立，并通过光电开关进行循迹，实现小车的行进。硬件部分主要包括飞思卡尔单片机最小系统，电机驱动电路，电源模块，光电开关循迹模块等。关键词：单片机电机驱动角度编码器减速电机II目录1系统方案.....................................................................................................................11.1处理器模块的论证与选择..............................................................................11.2电机模块的论证与选择..................................................................................11.3传感器模块的论证与选择..............................................................................21.4电源模块的论证与选择…….........................................................................22系统理论分析与计算.................................................................................................32.1倒立摆的数学模型分析及计算....................................................................32.1.1理论分析................................................................................................32.1.2实际系统模型........................................................................................42.2PID算法分析...................................................................................................53电路与程序设计.........................................................................................................83.1电路的设计.......................................................................................................83.1.1系统总体框图.........................................................................................83.1.2主控系统电路原理图............................................................................83.1.3电机驱动模块电路原理图....................................................................93.1.4传感器模块电路原理图……………………………………………103.1.5电源模块电路原理图...........................................................................103.2程序的设计.....................................................................................................103.2.1程序功能描述与设计思路...................................................................103.2.2程序流程图...........................................................................................114测试方案与测试结果...............................................................................................124.1测试方案.........................................................................................................124.2测试条件与仪器............................................................................................124.3测试结果及分析............................................................................................124.3.1测试结果(数据)....................................................................................124.3.2测试分析与结论...................................................................................125设计总结……………………………………………………………………………13附录1：电路原理图...................................................................................................14附录2：源程序...........................................................................................................15附录3：硬件设计.......................................................................................................151简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】1系统方案本系统主要由处理器模块、电机模块、驱动模块、传感器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1处理器模块的论证与选择方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案。方案二：采用飞思卡尔单片机MK60FX512VLQ15作为控制器，相对于32位的其他芯片，性价比高，此单片机最大的优势的处理速度快，有足够的资源控制系统的自动化，另外次单片机功耗低、集成程度高、通过库函数开发软件实现也比较容易。综合考虑了传感器、电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用飞思卡尔单片机，充分利用MK60FX512VLQ15单片机的资源，选择方案二。1.2电机模块的论证与选择方案一：采用步进电机控制小车。步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。但是不经细分的步进电机控制精度不高，速度响应也较慢，接线复杂，程序相对复杂，。方案二：采用直流减速电机控制小车。在减速系统中控制机械元件运转的发动机是一种补助马达间接变速装置。直流减速电机可用PWM控制速度，接线简单，程序方便，它将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。直流减速电机在控制精度、低频和矩频特性、过载能力、运行和速度响应性能等方面都优于步进电机。综合考虑采用方案二。21.3驱动模块的论证与选择方案一：三极管价格便宜，驱动电路设计复杂，不稳定，出问题难于查询。方案二：L298N芯片价格便宜，电路设计简单，驱动电流大，但驱动大功率的电机不是很稳定，当电流过大时发热严重容易烧坏芯片。方案三：采用全桥大功率驱动，运用4个MOS管组成驱动一个电机，电路复杂，适用于大电流大功率的电机驱动，此系统四个电机，运行时电流相对较大，符合本系统设计要求。综合以上三种方案，采用方案三。1.4传感器模块的论证与选择方案一：MPU-6000（6050）整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API，用于测量角度、加速度等，但是程序复杂，当线过长时，信号失真较大，容易产生误差。方案二：采用增量式光电旋转编码器，旋转编码器是用来测量转速并配合PWM技术可以实现快速调速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出。通过双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向，利用此编码器可以完美结合飞思卡尔正交解码，测量角度，此编码器较稳定。综合考虑采用方案二。32.系统理论分析与计算2.1倒立摆的数学模型及计算2.1.1理论分析图2-1倒立摆系统的简化模型分析摆杆水平所受的合力，可以得到以下方程：NxbFxM（2.1）由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：sin122lkdmN即：sincos2mlmlxmN（2.2）把这个等式代入上式中，就得到系统的第一个运动方程：FmlmxbxMmsincos2（2.3）为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：cos22ldtdmmgP即：cossin2mlmlmgP(2.4)力矩平衡方程如下：INlPlcossin(2.5)方程中力矩的方向，由于sinsin,coscos,，故等式前面有负号。合并这两个方程，约去P和N，得到第二个运动方程：cossin2xmlmglmlI(2.6)设（φ是摆杆与垂直向上