一種旋轉倒立擺控制實驗系統的製作方法
2023-04-23 13:40:46
一種旋轉倒立擺控制實驗系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種旋轉倒立擺控制實驗系統。現有倒立擺控制系統價格昂貴，且多為老師所用，學生使用率低。本實用新型包括控制器、電機驅動模塊、角度測量模塊、PC機串口通信接口、電源模塊和PC機，主控制器通過CH341串口接口與PC機連接，主控制器包括CH341串口接口、MCU模塊、直流電機、LM298驅動模塊、高精度電位器、LM3150電源晶片，主控制器中的MCU模塊的I/O接口與CH341串口接口、直流電機、PC機、LM298驅動模塊和高精度電位器連接。本實用新型具有可操作性、操作簡單、安全性高、成本低的優點。
【專利說明】一種旋轉倒立擺控制實驗系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及自動控制領域，主要是一種旋轉倒立擺控制實驗系統及控制方法。
【背景技術】
[0002]倒立擺由於其自身是一個絕對不穩定、多變量、強藕合的高階一非線性系統而被廣泛研究，其控制方法多種多樣，在半學體及精密儀器加工、機器人控制技術、人工智慧、針彈攔截控制系統、航空對接控制技術、火箭發射、衛星飛行等工程【技術領域】有著廣闊的利用開發前景。例如，機器人直立行走過程中的平衡控制、火箭發射中的垂直的控制和衛星飛行中姿態控制等問題，和倒立擺系統大同小異，均涉及到倒置問題。而且，倒立擺的控制方法對於我們處理一般工業工程，也有很大的借鑑。自動化類專業的自動控制原理實驗一般基於MATLAB仿真平臺實現，未能很好地和控制對象結合起來。並且沒有將經典控制理論具體運用到實際對象上，不僅讓學生不易理解其原理，而且易使學生失去學習興趣。本課題將旋轉倒立擺作為實驗對象，更適合本科學生的課程教學實驗，研究具有一定的創新性。
【發明內容】
[0003]本實用新型的目的是針對現今大學生理論性偏強，動手實踐能力弱的現狀，為學生提供一個經典控制理論的學習實踐平臺，加深其對自動化經典控制理論的理解，提高其理論性和實踐動手能力，提出一種旋轉倒立擺控制實驗系統及控制方法。
[0004]一種旋轉倒立擺控制實驗系統，包括電位器測角度模塊、控制驅動模塊、角度監控模塊；
[0005]電位器測角度模塊使用型號為WDD3OT-1的測角度模塊，系統工作時將擺杆的角度通過電位器測角度模塊轉換為電壓值得變化，然後傳送給控制驅動模塊進行處理；
[0006]控制驅動模塊包括串口通信電路、MCU控制電路、功率放大電路；角度監控模塊包括角度顯示單元和參數設定單元；
[0007]電位器測角度模塊的I腳與MCU控制電路的GND相連，2腳與MCU控制電路的PA4腳相連，3腳與MCU控制電路的VCC相連；串口通信電路的RXD腳與MCU控制電路的PA9腳相連，串口通信電路的TXD腳與MCU控制電路的PAlO腳相連；功率放大電路的ENA腳與MCU控制電路的PBO腳相連，功率放大電路的INl腳與MCU控制電路的PD4腳相連，功率放大電路的IN2腳與MCU控制電路的PD5腳相連；功率放大電路的OUTl和0UT2與電機的正負端相連；角度顯示單元和參數設定單元通過一根USB串口線與串口通信電路的USB接口相連；
[0008]控制驅動模塊接收來自電位器測角度模塊的擺杆角度信息，再通過串口通信電路將擺杆角度信息發送給角度監控模塊中的角度顯示單元，用於顯示擺杆角度信息；同時控制驅動模塊接收來自角度監控模塊中參數設定單元輸入擺杆目標角度和控制參數信息，並將該信息與電位器測角度模塊的擺杆角度信息做比較，並採用模糊控制算法，計算出當前的電機驅動量後調節電機轉速，最終實現將擺杆控制到目標角度；
[0009]角度監控模塊中的角度設定單元輸入擺杆目標角度信息，角度監控模塊將輸入的目標角度信息發送給控制驅動模塊中的MCU控制電路，MCU控制電路根據擺杆目標角度和當前角度計算出PWM波的佔空比並產生相應佔空比的PWM波，通過PWM波驅動功率放大電路控制電機轉速；角度顯示單元接收來自控制驅動模塊的擺杆信息，用於顯示擺杆的角度或運動軌跡；
[0010]串口通信電路包括第一 USB轉串口晶片Ul、USB接口、第一晶振Yl、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4 ;所述的第一 USB轉串口晶片Ul型號為CH341 ；
[0011]第一 USB轉串口晶片晶片Ul的6腳與第一電容Cl的一端相連接，第一電容Cl的另一端接地；第一 USB轉串口晶片晶片Ul的7腳與USB接口的D+腳相連接，8腳與USB接口的D-腳相連接；第一 USB轉串口晶片Ul的9腳同時與第四電容C4的一端、第一晶振Yl的一端相連接，第四電容C4的另一端與第一 USB轉串口晶片Ul的19腳相連接並接地；第一 USB轉串口晶片Ul的10腳同時與第一晶振Yl的另一端、第三電容C3的一端相連接，第三電容C3的另一端接地；第一 USB轉串口晶片Ul的13腳與第一 USB轉串口晶片Ul的20引腳、第二電容C2的一端相連接並同時接5V電壓；第一 USB轉串口晶片Ul的11腳與第一USB轉串口晶片Ul的12腳、第二電容C2的另一端相連接並接地；USB接口的VCC腳接5V電壓，兩個SHELL腳相互連接，GND腳接地；第一 USB轉串口晶片Ul的I腳、2腳、5腳、14腳、15腳、16腳、17腳、18腳、19腳架空；
[0012]MCU控制電路包括第二晶片U2，所述的第二晶片U2的第68腳和69腳分別與第一USB轉串口晶片Ul的4腳和3腳相連接；第二晶片U2的6腳、11腳、21腳、22腳、28腳、50腳、75腳和100腳接3.3V電壓；第二晶片U2的10腳、19腳、20腳、27腳、49腳、74腳和99腳均接地；第二晶片U2文中未提到的其他引腳皆架空；
[0013]所述的第二晶片U2是整個控制驅動模塊的核心控制晶片，是基於32位的ARMCortex-M3 處理器 STM32F103VBT6，
[0014]功率放大電路包括的電機驅動晶片U3、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5、第六二極體D6、第七二極體D7、第八二極體D8、第一接口器Jl ;
[0015]電機驅動晶片U3的I腳接地，2腳同時與第一二極體Dl的正端和第五二極體D5的負端相連並與第一接口器Jl的一個引腳連接，3腳同時與第二二極體D2的正端和第六二極體D6的負端相連並與第一接口器Jl的另一個引腳連接，第13引腳同時與第三二極體D3的正端和第七二極體D7的負端相連，第14引腳同時與第四二極體D4的正端和第八二極體D8的負端相連，8腳、15腳同時與第五二極體D5、第六二極體D6、第七二極體D7、第八二極體D8的正端相連並接地；4腳與第一二極體Dl、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4的負端連接並接12V電源，9腳與5V電源相連，5腳與第二晶片的85腳相連，7腳與第二晶片的86腳相連，6腳與第二晶片的35相連，6腳與第二晶片U2的35腳相連接；其餘的引腳均浮空；
[0016]所述的電機驅動晶片U3型號為LM298 ;第一接口器Jl型號為301-2P接線端子。
[0017]本實用新型所具有的有益效果:
[0018](I)傳統經驗了解到現有的倒立擺實驗器材貴重，作為本科實驗教學並不合適。本課題參照倒立擺實驗系統，根據現有的材料，開發出控制簡單，更加直觀，更適合於本科學生教學的旋轉倒立擺實驗系統。
[0019](2)此平臺可以有機地將自動控制原理、單片機等課程結合起來，給學生一個學以致用的實驗平臺，可以有效引導學生學會如何將所學知識相互融合，有利於學生培養解決實際問題的能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型的硬體連接框圖；
[0021 ] 圖2是本實用新型的串口通信電路圖；
[0022]圖3是本實用新型的MCU控制電路圖；
[0023]圖4是本實用新型的功率放大電路圖；
[0024]圖5是本實用新型的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本實用新型進一步說明。
[0026]如圖1所示，一種旋轉倒立擺控制實驗系統，包括電位器測角度模塊1、控制驅動模塊、角度監控模塊。
[0027]電位器測角度模塊I使用型號為WDD3OT-1的測角度模塊，系統工作時將擺杆的角度通過電位器測角度模塊I轉換為電壓值得變化，然後傳送給控制驅動模塊進行處理。
[0028]控制驅動模塊包括串口通信電路2-l、MCU控制電路2-2、功率放大電路2_3。角度監控模塊包括角度顯示單元3-1和參數設定單元3-2。
[0029]電位器測角度模塊I的I腳與MCU控制電路2-2的GND相連，2號腳與MCU控制電路2-2的PA4腳相連，3號腳與MCU控制電路2_2的VCC相連；串口通信電路2_1的RXD腳與MCU控制電路2-2的PA9腳相連，串口通信電路2-1的TXD腳與MCU控制電路2_2的PAlO腳相連；功率放大電路2-3的ENA腳與MCU控制電路2_2的PBO腳相連，功率放大電路2-3的INl腳與MCU控制電路2-2的PD4腳相連，功率放大電路2_3的IN2腳與MCU控制電路2-2的PD5腳相連；功率放大電路2-3的OUTl和0UT2與電機的正負端相連；角度顯示單元3-1和參數設定單元3-2通過一根USB串口線與串口通信電路2-1的USB接口相連。
[0030]控制驅動模塊接收來自電位器測角度模塊的擺杆角度信息，再通過串口通信電路2-1將擺杆角度信息發送給角度監控模塊中的角度顯示單元3-1，用於顯示擺杆角度信息；同時控制驅動模塊接收來自角度監控模塊中參數設定單元3-2輸入擺杆目標角度和控制參數信息，並將該信息與電位器測角度模塊的擺杆角度信息做比較，並採用模糊控制算法，計算出當前的電機驅動量後調節電機轉速，最終實現將擺杆控制到目標角度。
[0031]角度監控模塊中的角度設定單元3-2輸入擺杆目標角度信息，角度監控模塊將輸入的目標角度信息發送給控制驅動模塊中的MCU控制電路2-2，MCU控制電路2-2根據擺杆目標角度和當前角度計算出PWM波的佔空比並產生相應佔空比的PWM波，通過PWM波驅動功率放大電路控制電機轉速；角度顯示單元3-1接收來自控制驅動模塊的擺杆信息，用於顯示擺杆的角度或運動軌跡；
[0032]如圖2所示，串口通信電路2-1包括第一 USB轉串口晶片Ul、USB接口、第一晶振Y1、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4。所述的第一 USB轉串口晶片Ul型號為CH341 ；
[0033]第一 USB轉串口晶片晶片Ul的6腳與第一電容Cl的一端相連接，第一電容Cl的另一端接地；第一 USB轉串口晶片晶片Ul的7腳與USB接口的D+腳相連接，8腳與USB接口的D-腳相連接；第一 USB轉串口晶片Ul的9腳同時與第四電容C4的一端、第一晶振Yl的一端相連接，第四電容C4的另一端與第一 USB轉串口晶片Ul的19腳相連接並接地；第一 USB轉串口晶片Ul的10腳同時與第一晶振Yl的另一端、第三電容C3的一端相連接，第三電容C3的另一端接地；第一 USB轉串口晶片Ul的13腳與第一 USB轉串口晶片Ul的20引腳、第二電容C2的一端相連接並同時接5V電壓；第一 USB轉串口晶片Ul的11腳與第一USB轉串口晶片Ul的12腳、第二電容C2的另一端相連接並接地；USB接口的VCC腳接5V電壓，兩個SHELL腳相互連接，GND腳接地。第一 USB轉串口晶片Ul的I腳、2腳、5腳、14腳、15腳、16腳、17腳、18腳、19腳架空。
[0034]圖3為MCU控制電路2-2，包括第二晶片U2，所述的第二晶片U2的第68腳和69腳分別與第一 USB轉串口晶片Ul的4腳和3腳相連接；第二晶片U2的6腳、11腳、21腳、22腳、28腳、50腳、75腳和100腳接3.3V電壓;第二晶片U2的10腳、19腳、20腳、27腳、49腳、74腳和99腳均接地；第二晶片U2文中未提到的其他引腳皆架空。
[0035]所述的第二晶片U2是整個控制驅動模塊的核心控制晶片，是基於32位的ARMCortex-M3處理器STM32F103VBT6，負責協調整個系統的工作，包括電機驅動信號的輸出、串口通信的實現和信號採集處理等。
[0036]如圖4所示是功率放大電路2-3，包括的電機驅動晶片U3、第一二極體Dl、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5、第六二極體D6、第七二極體D7、第八二極體D8、第一接口器Jl ；
[0037]電機驅動晶片U3的I腳接地，2腳同時與第一二極體Dl的正端和第五二極體D5的負端相連並與第一接口器Jl的一個引腳連接，3腳同時與第二二極體D2的正端和第六二極體D6的負端相連並與第一接口器Jl的另一個引腳連接，第13引腳同時與第三二極體D3的正端和第七二極體D7的負端相連，第14引腳同時與第四二極體D4的正端和第八二極體D8的負端相連，8腳、15腳同時與第五二極體D5、第六二極體D6、第七二極體D7、第八二極體D8的正端相連並接地；4腳與第一二極體Dl、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4的負端連接並接12V電源，9腳與5V電源相連，5腳與第二晶片的85腳相連，7腳與第二晶片的86腳相連，6腳與第二晶片的35相連，6腳與第二晶片U2的35腳相連接；其餘的引腳均浮空。
[0038]所述的電機驅動晶片U3型號為LM298，可以實現用單片機通過PWM信號控制電機轉速的目的；
[0039]第一接口器Jl型號為301-2P接線端子。
[0040]如圖5所示，旋轉倒立擺的控制方法，具體包括如下步驟:
[0041]步驟1.對電位器測角度模塊1、控制驅動模塊、角度監控模塊進行初始化；
[0042]步驟2.角度監控模塊中的參數設定單元3-2輸入擺杆目標角度信息和控制參數，角度監控模塊將輸入的目標角度信息發送給控制驅動模塊中的MCU控制電路2-2，MCU控制電路2-2根據擺杆目標角度和當前角度計算出PWM波的佔空比並產生相應佔空比的PWM波，通過PWM波驅動功率放大電路控制電機轉速；
[0043]其中MCU控制電路2-2具體工作如下:
[0044]打開MCU控制電路2-2中的MCU的定時器和中斷，輸出設定的PWM波，通過功率放大電路2-3驅動電機，使擺臂和擺杆擺動。同時電位器測角度模塊I開始測量擺杆的角度，並實時將數據傳送給MCU控制電路2-2。同時MCU控制電路2-2通過串口讀取角度監控模塊發送的擺杆目標角度信息，並對擺杆目標角度信息與擺杆當前角度進行比較，使用模糊PID算法對擺杆進行穩定控制。MCU控制電路2-2實時檢測角度監控模塊發送的擺杆目標角度信息，並根據收到的擺杆目標角度信息隨時更改模糊PID控制算法數據和控制擺臂的擺動。
[0045]步驟3.電位器測量度模塊I時刻檢測擺杆角度信息，並將擺杆角度信息發送給控制驅動模塊，控制驅動模塊再通過串口通信電路2-1將擺杆角度信息發送給角度監控模塊；角度監控模塊中的角度顯示單元顯示擺杆角度信息。
[0046]所述的角度監控模塊包括角度顯示單元3-1和參數設定單元3-2。
[0047]角度顯示單元3-1接收來自控制驅動模塊的擺杆信息，用於顯示擺杆的角度或運動軌跡；參數設定單元3-2用於設定擺杆的目標角度，並將擺杆目標角度信息發送給控制驅動模塊。
[0048]參數設定單元3-2可以將角度和控制參數來設定擺杆的目標角度。設定時，可以直接在角度輸入框內輸入需要設定的角度，在控制參數欄中輸入設定的控制參數，點擊確認按鍵即可。參數設定單元3-2在檢測到確認按鍵後，會讀取角度輸入框內的數字和參數設定欄的數字，產生相應的控制指令發送給控制驅動模塊。
[0049]本實用新型主要是角度設定單元3-2設定擺杆的的角度和控制參數數據，通過串口得到其當前信息並顯示在角度顯示單元3-1。電位器測量度模塊I將擺杆的角度信息通過控制驅動模塊傳給角度顯示單元3-1，控制驅動模塊通過模糊PID算法和其模塊內的功率放大電路控制擺杆的運動，使其按目標角度信息規定進行相應的運動。
【權利要求】
1.一種旋轉倒立擺控制實驗系統，包括電位器測角度模塊、控制驅動模塊、角度監控模塊；其特徵在於: 電位器測角度模塊使用型號為WDD3OT-1的測角度模塊，系統工作時將擺杆的角度通過電位器測角度模塊轉換為電壓值得變化，然後傳送給控制驅動模塊進行處理； 控制驅動模塊包括串口通信電路、MCU控制電路、功率放大電路；角度監控模塊包括角度顯示單元和參數設定單元； 電位器測角度模塊的I腳與MCU控制電路的GND相連，2腳與MCU控制電路的PA4腳相連，3腳與MCU控制電路的VCC相連；串口通信電路的RXD腳與MCU控制電路的PA9腳相連，串口通信電路的TXD腳與MCU控制電路的PAlO腳相連；功率放大電路的ENA腳與MCU控制電路的PBO腳相連，功率放大電路的INl腳與MCU控制電路的PD4腳相連，功率放大電路的IN2腳與MCU控制電路的PD5腳相連；功率放大電路的OUTl和0UT2與電機的正負端相連；角度顯示單元和參數設定單元通過一根USB串口線與串口通信電路的USB接口相連； 串口通信電路包括第一 USB轉串口晶片Ul、USB接口、第一晶振Yl、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4 ;所述的第一 USB轉串口晶片Ul型號為CH341 ； 第一 USB轉串口晶片晶片Ul的6腳與第一電容Cl的一端相連接，第一電容Cl的另一端接地；第一 USB轉串口晶片晶片Ul的7腳與USB接口的D+腳相連接，8腳與USB接口的D-腳相連接；第一 USB轉串口晶片Ul的9腳同時與第四電容C4的一端、第一晶振Yl的一端相連接，第四電容C4的另一端與第一 USB轉串口晶片Ul的19腳相連接並接地；第一 USB轉串口晶片Ul的10腳同時與第一晶振Yl的另一端、第三電容C3的一端相連接，第三電容C3的另一端接地；第一 USB轉串口晶片Ul的13腳與第一 USB轉串口晶片Ul的20引腳、第二電容C2的一端相連接並同時接5V電壓；第一 USB轉串口晶片Ul的11腳與第一 USB轉串口晶片Ul的12腳、第二電容C2的另一端相連接並接地；USB接口的VCC腳接5V電壓，兩個SHELL腳相互連接，GND腳接地；第一 USB轉串口晶片Ul的I腳、2腳、5腳、14腳、15腳、16腳、17腳、18腳、19腳架空； MCU控制電路包括第二晶片U2，所述的第二晶片U2的第68腳和69腳分別與第一 USB轉串口晶片Ul的4腳和3腳相連接；第二晶片U2的6腳、11腳、21腳、22腳、28腳、50腳、75腳和100腳接3.3V電壓；第二晶片U2的10腳、19腳、20腳、27腳、49腳、74腳和99腳均接地；第二晶片U2文中未提到的其他引腳皆架空； 所述的第二晶片U2是整個控制驅動模塊的核心控制晶片，是基於32位的ARMCortex-M3 處理器 STM32F103VBT6， 功率放大電路包括的電機驅動晶片U3、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5、第六二極體D6、第七二極體D7、第八二極體D8、第一接口器Jl ; 電機驅動晶片U3的I腳接地，2腳同時與第一二極體Dl的正端和第五二極體D5的負端相連並與第一接口器Jl的一個引腳連接，3腳同時與第二二極體D2的正端和第六二極體D6的負端相連並與第一接口器Jl的另一個引腳連接，第13引腳同時與第三二極體D3的正端和第七二極體D7的負端相連，第14引腳同時與第四二極體D4的正端和第八二極體D8的負端相連，8腳、15腳同時與第五二極體D5、第六二極體D6、第七二極體D7、第八二極體D8的正端相連並接地；4腳與第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4的負端連接並接12V電源，9腳與5V電源相連，5腳與第二晶片的85腳相連，7腳與第二晶片的86腳相連，6腳與第二晶片的35相連，6腳與第二晶片U2的35腳相連接；其餘的引腳均浮空；所述的電機驅動晶片U3型號為LM298 ;第一接口器Jl型號為301-2P接線端子。
【文檔編號】G05D3/12GK203930517SQ201420312557
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】餘善恩, 陸建鋒, 熊偉鵬, 董亦明 申請人:杭州電子科技大學