简易旋转倒立摆及控制装置

摘要：本系统是针对简易旋转倒立摆而设计的自动调节装置，使用12C5A60S2单片机控制L298驱动进而控制直流电机，使摆杆处于动态平衡的装置。通过角度传感器采集摆杆的状态数据，实时调整直流电机的转向和转速，以调整摆臂的角度，使摆杆恢复到动态平衡状态。在非平衡状态下，通过角度传感器的实时检测，能够通过功能键设计，使摆杆能稳定到一定的角度。

关键词：直流电机；角度传感器；转向；转速；平衡

Abstract：This system is designed for simple rotary inverted pendulum automatic adjustment device，using 12C5A60S2 and L298 drive and control single chip microcomputer control DC motor，the swinging rod continue in a dynamic balance of the device.Through the acquisition of swinging rod Angle sensor state data，real-time adjustment of DC motor steering and speed，in order to adjust the position of the swing arm to restore swinging rod to dynamic equilibrium.In non equilibrium state，through the real-time detection of Angle sensor，can through the function key design，can make the swinging rod stability to a certain extent

Keywords：DC motor，steering Angle sensor，speed，balance

1.引言

倒立摆简介、研究现状及本研究的目的和意义。

2.方案设计

2.1电机的选择

直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和正反转切换，且价格合理，控制简单，故选用大功率的直流电机。

2.2角度传感器的选择

采用精密电位器WDD35D-4构成角度检测仪器。利用转轴的转动改变接入电路的电阻，AD转换将阻值转换成数字信号，利用单片机识别角度。此方案符合整体的硬件设计，并且精密电位器反应灵敏，精度很高。

2.3主控芯片的论证与选择

采用STC公司的STC12C5A60S2作为系统控制器的CPU方案，负责控制电机转动的方向和速度。此单片机具有灵活性大，技术成熟和成本低等优点、非常适合本控制系统的要求。

2.4电机驱动控制的论证与选择

使用驱动芯片L298对步进电机控制。驱动芯片L298电路简单，可靠性高，单片机可以直接驱动。电机的调速和位移量控制，可以通过软件实现，变化范围大，容易实现，反应速度快。

3.系统硬件设计

3.1硬件框图

3.2整体平台的设计

搭建一个高28cm上底半径9cm下地半径11.5cm的一个体型圆柱形平台，上高下宽的设计是为了保证平台能够稳定立住，同时不耽误转动杆的正常转动。同时，考虑的直流电机的固定问题，我们采用与电机相匹配的螺钉来固定，操作简单，稳定性好。

3.3摆杆、摆臂以及角度传感器的设计

摆杆采用符合要求的实心铁棒，只要只要直流电机的速度足够快，摆杆在垂直于摆臂平面内来回摆动的幅度足够大，很容易做圆周运动。由于选用的直流电机的力矩不是很大，而且摆臂需要一定的机械强度，所以选用空心的不锈钢杆能很好符合要求。为了平衡摆杆的质量，加重了摆杆反向端的质量，尽量使重心与摆臂的几何中心重合。因为摆臂可能做圆周运动，所以选用圆台型的结构更加稳定可靠。由于采用WDD35D-4型的角度传感器，体积和质量都比较大，如果放在摆臂的一端，转动起来比较困难，而且摆臂摆动灵敏度也会受到影响，而把角度传感器放在摆臂的中心位置，则可以很好的解决上述问题。

3.4控制电机驱动设计

L298可以由单片机直接驱动，输出脉冲波型对电机进行控制，由图可以看到，有四个输入接口和四个输出接口，他们分别与单片机的I/O口一一对应相连，L298还有两个控制使能端，控制PWM输出。为了节省单片机资源我们将两个使能端都直接置高，使输出仅由单片机控制，使得控制更灵活方便又节约资源。

实际操作中，由于直流电机很大，需要比较大的电流，所以采用如图4所示的两个L298驱动并联的方法，输出足够大的电流，方便实惠。

3.5电源设计

由于本次使用的是功率比较大的直流电机，并且要求电机急停急转，对电源的稳定性要求比较高，所以我们选用集成的、稳定性较好的集成模块，该模块可以稳定的输出正负24V电压，而且不会因为供电的原因导致掉电，保证了电压的稳定性。

额外还要给单片机提供5V的电压，保证控制芯片稳定工作。

4.市场分析、实用价值以及程序流图

4.1实用价值

在稳定性控制问题上，倒立摆集成了典型性和普遍性.倒立摆装置有很多优点，结构简单、价格低廉，便于模数转换和控制，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的快速系统，唯有采用精确的控制算法，才能保持稳定.倒立摆系统实现稳定的算法有多种，如PID、自适应、状态反馈、智能控制、模糊控制及人工神经元网络等。

4.2研究现状

目前各领域专家对倒立摆系统进行了全方位的研究，如将倒立摆的研究衍化为对航空航天领域中火箭发射助推器的研究，将二级倒立摆与双足机器人的行走控制联系起来。

中国对倒立摆系统研究水平较高，北京师范大学采用变论域自适应模糊控制的方法在国际上首次实现四级倒立摆的稳定控制，北京航空航天大学采用拟人智能控制方法实现三级倒立摆的稳定控制。

5.系统测试与分析

5.1测试器件

秒表，5g的砝码，量角器。

5.2测试方法

将各部分电路连接起来，在支撑杆的前端安装一个量角器，然后启动装置，观察摆杆所达到的角度和达到预定角度所需要的时间或完成的情况。

5.3测试结果

5.4测试结果分析

从表1的实验结果表明：基础部分的要求都已经达到，而且完成精度较高，实现时间短。

综上所述，此系统已经能够完成基础的所有内容，且实现精度较高，稳定性较好。但是实验本身仍存在一定的误差，如电位器和杆的摩擦力，电机的摩擦力，转动中导线的干扰，控制算法的进一步优化等等。（作者单位：辽宁工程技术大学电气与控制工程学院）

参考文献

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