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（【本科组】
2013年9月4日
C 题）
简易旋转倒立摆及控制装置
摘要：
本作品采用了TI公司MSP430 单片机作为控制器，实现了简易旋转倒立控制系统。本作品选择两相四线步进电机作为旋转倒立摆的驱动装置，通过精密导电塑料角位移传感器获取摆杆的角度，实现对摆杆E运动状态的检测，以此角位移传感器的测量值作为反馈量，通过PID算法控制步进电机的运动方向和单位时间内运动的步数，实现对摆杆E角度的控制以及倒立摆的起摆和倒立平衡。本作品可以实现对E摆杆运动状态的检测、倒立摆、起摆以及倒立摆的倒立平衡控制，具有起摆速度快、倒立摆平衡状态稳定、抗干扰能力强等特点。
关键字： 旋转倒立摆 步进电机 PID算法
Abstract:
This paper describes a control based on TI's MSP430 microcontroller simple rotary inverted control system. The system uses the West An Jiusheng 57HS56 08 type two-phase four-wire stepper motor as the power source of the system. In WDS35D4 precision conductive plastic angular displacement sensor as the only sensor to realize the system E pendulum motion detection, and so the sensor feedback value as the amount of feedback through software algorithm to determine E pendulum motion by changing the stepper motor the steering and speed to control the state of motion of the pendulum E. Test results had showed that: the system can realize the E pendulum motion detection and control. And the system also has a simple structure, enabling strong, control and stability advantages.
Keywords:Rotating balance handstand tepper motor angular displacement
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一：系统方案
1.1 系统结构：
本系统主要由以下几部分构成，包括：MSP430单片机、液晶显示模块、矩阵键盘模块、角位移传感器、步进电机驱动模块以及步进电机。
其中，MSP430单片机作为主控制器实现对液晶显示模块、矩阵键盘模块的控制；其内部集成的12位ADC实现对角位移传感器的电压采样及转换；同时通过控制步进电机驱动模块实现对步进电机运动方向和运动步数的控制。
为实现主控制器对步进电机驱动模块的控制，需要通过电平匹配模块进行控制信号的电平转换和匹配；电平匹配模块由光耦实现。
本作品简易旋转倒立摆及控制装置的系统结构框图如下：
(菜单选择)（检测E杆状态）矩阵键盘 12864液晶(菜单显示)MSP430角位移传感器电平匹配控制算法步进电机驱动图1.1简易旋转倒立摆及控制装置系统结构框图
步进电机
1.2 方案比较与选择：
方案一：由TI 公司的MSP430作为MCU，MSP430获取安装在E摆杆上的MPU6050陀螺仪传感器数据。MSP430经运算分析将控制信号输出至步进电机驱动器。驱动器控制步进电机的转速、步数、和旋转方向来控制C旋转臂以达到控制E摆杆运动状态的目的。
方案二：由TI 公司的MSP430作为MCU，MSP430获取作为D转轴的精密导
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电塑料角位移传感器的电压值来进行判断系统状态。MSP430经运算分析将控制信号输出至步进电机驱动器。驱动器控制步进电机的转速、步数、和旋转方向来控制C旋转臂以达到控制E摆杆运动状态的目的。
由于E摆杆需要做圆周运动，并且需要其状态稳定性高，如果采用方案一会对系统布线带来很大的困难，并且在E摆杆上安装传感器会使其质地不均匀，增大控制难度。方案二采用精密导电塑料角位移传感器将D轴和传感器合二为一。精度高，存在<=3°测量死角，电路简单，布线方便。精密导电塑料角位移传感器测量死角问题可以通过机械结构将测量死角调节至不需要测量的位置，不需要陀螺仪极高的精确度，机械结构布线较为容易。
综合以上两种方案,选择方案二。
二：理论分析与计算
2.1电机选型：
方案一：采用直流减速电机。
直流减速具有推力大、传动刚度高、动态响应快、行程长度不受限制等特点。 方案二：采用伺服电机。
伺服电机是靠脉冲来定位的，电机接收到1个脉冲，会旋转1个脉冲对应的角度，同时电机本身发出一个脉冲与接收的脉冲相呼应，单片机则根据发出与接收到的脉冲对电机实现精确的转动。
方案三：采用步进电机。
步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号直接转换成角位移，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。其转角精确(采用128细分驱动可以实现0.014度的步进角控制)，扭矩大，角度控制易实现。
考虑题目的要求，由于需要对角度进行精确控制，并且旋转圈数并不需要很多，考虑到驱动电路的简单性，为了实现电机控制的方便性和精确性，采用方案三的步进电机。
2.2 摆杆状态检测：
方案一：在摆杆上面放置陀螺仪或者加速度计作为传感装置。陀螺仪可以三个轴向检测运动状态，误差很小，精确度和灵敏度极高，但数据处理复杂，且具
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有零点漂移特性。
方案二：采用精密导电塑料角位移传感器作为传感装置。其线形度高、噪声小，电路设计简单，同时可以直接作为D转轴减少结构设计和传感器装配难度。但其存在<=3°的测量死角。
考虑题目要求，题目只需测量E摆杆一个方向的变量且需要其质地均匀，精密导电塑料角位移传感器测量死角问题可以通过机械结构将测量死角调节至不需要测量的位置，故选择方案二。
摆杆状态检测的方法如下：精密导电塑料角位移传感器将D轴和传感器合二为一。将参考电压加至传感器两端，通过分压接法将E摆杆与垂直方向的角度与0~3.3V电压值一一对应，可以计算得出摆杆当前的位置，并作为系统的反馈量，使系统构成闭环，达到稳定。
2.3驱动与控制算法： 2.3.1 步进电机驱动：
高细分步进电机驱动器，电源要求直流24V，易实现，细分高，细分范围大，调节细分方便，可精确控制步进电机。因此采用高细分步进电机驱动器（128细分）作为步进电机的驱动器。
2.3.2 控制算法：
系统采用经典的PID控制算法将精密导电塑料角位移传感器采集回来的电压经过AD转换后作为反馈量，将E摆杆处于不稳定平衡状态（竖直向上）的AD转换值作为期望值，利用PID控制算法，通过反馈量与期望值的偏差来判断E摆杆的运动状态，并通过调节步进电机的旋转方向，速度，步数来控制C旋转臂达到控制E摆杆运动状态的目的。
三：电路与程序设计
3.1 电路设计：
本系统由TI 公司的MSP430作为MCU，MSP430获取精密导电塑料角位移传感器的电压值来进行判断系统状态，并根据矩阵键盘的按键控制选择控制模式。并以LCD显示模式状态。MSP430经运算分析将控制信号输出至步进电机驱动器。驱动器连接步进电机进行状态控制。由于高细分步进电机驱动器控制信号为5V工业标准，而MSP430是3.3V超低功耗MCU。因此为了使系统可以稳定工作需要
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2013年全国大学生电子设计竞赛 C题
