简 易 旋 转 倒 立 摆 及 控 制 装 置
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简易旋转倒立摆及控制装置
摘要：本设计以AT90C51单片机为核心控制系统，由输入模块、角度传感器、
液晶显示模块等组成旋转倒立摆控制装置。以单片机控制步进电机转速，调节转轴，改变旋转倒立摆转角，并保证摆杆能做自由旋转。从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，能完成圆周运动。外力拉起一定角度撤除后启动控制装置，摆杆能保持倒立时间不少于5s，期间旋转臂的转动角度不大于90度。
关键字：旋转倒立摆 步进电机 角度传感器
Abstract: this design by AT90C51 single-chip microcomputer as the core control system, by the input module, Angle sensors, liquid crystal display module and so on rotational inverted pendulum control device. With single chip microcomputer control stepping motor speed, adjust the rotating shaft, change the rotational inverted pendulum Angle, and ensure the swinging rod can do free rotation. Starting from the swinging rod is in a state of natural prolapse, increase the motion of the pendulum rod amplitude as soon as possible, to finish circular motion. Pull force Angle after removal of start control device, swinging rod can keep on time not less than 5 s, during the rotation of the rotating arm Angle is not greater than 90 degrees. Key words: rotational inverted pendulum stepper motor Angle sensor.
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1、 前言
本设计对旋转倒立摆进行了探讨，旋转倒立摆作为一个被控对象, 是快速、多变量、开环不稳定、非线性的高阶系统, 必须施加十分强有力的控制手段才能使之稳定。其目的是使倒立在不稳定的平衡点附近的运动成为一个稳定的运动, 控制旋转臂和摆杆的两个角位移信号在各自的零点位置附近变化。整个过程是一个动态平衡, 在实际中, 表现为在平衡位置附近的来回振荡。
2、总体方案设计
2.1 方案论证与比较 2.1.1 电机的选择
方案一：采用直流减速电机，调速范围宽、响应速度快，且在电压控制为
0的情况下无“自传”现象。可以实现平滑而经济地调速；而且不需要其它设备的配合，就能实现调速。
方案二：采用伺服电机，转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自
动控制系统中作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等优点，然而这种电机价格昂贵，且不容易调试，所以也不采用此项方案。
方案三：步进电机的旋转速度范围很大，可以通过控制脉冲频率来控制电
机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，且灵敏度强，易于控制。但快速性达不到要求，力矩太大，惯性太大，抖动大，电池驱动能力弱带动不起来还需升压，不适合做单摆，被排除掉。
三种方案相比，方案一最适合本实验，所以采用方案一。
2.1.2 角度数据采集与调控
方案一：采用角度传感器，分辨率高适合温度范围广，准确度高，易调控，
经济实惠，根据旋转倒立摆需要的灵明度与可靠性，角度传感器被作为优先考虑对象。
方案二：光电传感器，精度高、反应快、具有非接触等优点，而且可测参
数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中
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应用非常广泛。但是，光电传感器的环境适应性很差，其次精度也差。 相比之下方案一比较符合实验要求，所以选择方案一。
2.1.3 模数转换器
采用TLC1549是10位模数转换器。它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围。
2.1．4 摆杆的选择
方案一：空心细铁棒，重心在细铁棒尾端位置，如图1所示，一端固定在
转轴上，稳定性好，不会受外界因素干扰。首先，重量达到了要求，其次，在尾端加内部一小段铁棒，摆动过程中由于惯性会使摆杆摆动角度越来越大，达到圆周运动。
方案二：细丝，重心在尾部，如图2所示，头部固定在转轴上，此种摆杆
容易摆动，重量较轻，容易受到外界风力等因素干扰。
两种方案相比，方案一稳定性好，容易控制，所以采用方案一。
图1 图2
2.1.5 电源
采用LM2576稳压芯片将220V电压稳压至5V。
2.1.6 驱动
采用L298N驱动直流减速电机。L298N可直接对电机进行控制，不需隔离电路，它通过改变控制端的电平来对电机进行启停、正反转操作，非常方便，亦能满足直流电机减速时的大电流要求。
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2.2 系统总体方案选择：
电机：直流减速电机
角度数据采集与调控：角度传感器 模数转换器：TLC1549是10位模数转换器 摆杆：重心在尾部的空心细铁棒 电源：采用直流稳压电源
3、系统硬件设计
3.1 各单元模块功能介绍及电路设计； 3.1.1 稳压电路
LM2576开关稳压集成电路是3A电流输出降压开关型集成稳压电路，内含固定频率振荡器和基准稳压器，并具有完美的保护电路。工作性能可靠，工作效率较高，输出电流驱动能力强，从而为电机的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。如下图3所示为旋转倒立摆的稳压电源，输入220V，经过LM2576稳压后，输出5V直流电压。
图3
3.1.2 驱动电路
如图4所示，L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，其输出电流大，功率强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，减速电机，伺服电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制减速电机，并可以实现电机正转、反转或停止，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。
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4、系统调试
4.1 调试方法
3.1.3 单片机最小系统及模数转换
图4
单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。
在电路检查没有什么错误之后，进行调试，把各个模块的电源接好，在确认
没有错误之后，按照基本功能要求进行一项一项调试。本题通过调节直流减速电
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机的速度控制倒立摆转动角度，在通过角度传感器输入给单片机，通过单片机的处理之后，测试结果。反复多次调试 看看在那个方面我们做的不好，在原有的器件上加上一些电子元件从而使显示的结果更接近标准值。
4.2 调试结果及参数记录
实验结果表明, 在没有外力扰动时摆杆能够平稳地保持在倒立平衡状态, 人为地对摆杆加外力扰动时经过4 s的时间可恢复到稳态, 仿真结果如图所示。测试结果如下表2所示。
表1. 测试数据
测试次数 设定角度 测试结果 测试误差 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ±60° ±60° ±60° 360° 360° 360° 倒立 倒立 倒立 1 2 1 1 1 2 1 2 1 摆杆距旋臂距离 15 15 15 15 15 15 15 15 15 完成时间 4.23 3.63 3.67 7.35 6.62 7.15 20.35 20.41 21.32 4.3指标参数分析 根据研究，理论上能成功达到要求的设计在现实中操作起来困难较大。如表1所示，分析发现测量的结果总是与标准值有一定误差值但均未超过允许范围。如果在一个度数测量的多个结果中求其平均值，那么测量的误差会更加的接近标准值。经过多次试验，摆杆能正常轻松完成基础部分的要求。 5、设计总结
5.1 设计小结及收获体会
旋转倒立摆系统是研究控制理论最好的工具，也是目前比较热门的研究对象。国内对倒立摆的研究已经处于世界领先水平，它需要更多有关的学术人员以极大的热情投入到这一研究领域中去，倒立摆系统的研究必将会有更广阔的前景。
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6、参考文献
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[5] 蓝和慧.单片机应用技能精解.电子工业出版社.2009.04
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[7] 王卫华.单级倒立摆的专家模糊控制.湖北大学学报( 自然科学版)， 1 999.07
7、附：系统原理图
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