2013年全国电子设计竞赛报告--简易旋转倒立摆及控制装置.docx

### 2013年全国电子设计竞赛报告——简易旋转倒立摆及控制装置 #### 摘要 本文档详细介绍了一个获奖项目的设计思路、原理和技术实现细节，该项目旨在通过电子设计竞赛展示一种简易旋转倒立摆及其控制装置。本装置的核心是Freescle半导体公司生产的MC9S12XS128MAA单片机，它作为主控制器负责整个系统的运行。为了驱动电机，选择了BTS7960作为电机驱动器，并利用MPU6050加速度计陀螺仪模块来采集摆杆的角度和角加速度信息。通过这些传感器数据，单片机能够精确地调整电机的速度和方向，确保摆杆能够在不同的位置上保持稳定。此外，光电编码器被用来监控电机的运动状态，从而实现了对电机的闭环控制。 #### 设计任务与要求 **1.1 设计任务** 设计一个简易旋转倒立摆控制系统，该系统能够通过控制电机使摆杆保持在竖直位置或按照预设路径移动。 **1.2 设计要求** - 实现摆杆的稳定控制。 - 采用闭环控制系统以提高精度。 - 设计合理的电机驱动电路。 - 确保系统具有良好的可扩展性和稳定性。 #### 系统方案比较与论证 **2.1 系统主控芯片的选择** 在选择主控芯片时，考虑了多种因素，如成本、性能、功耗以及开发支持等。最终选定MC9S12XS128MAA单片机，原因在于其拥有足够的处理能力来处理复杂的控制算法，同时具有丰富的I/O资源，可以方便地连接各种传感器和执行机构。 **2.2 系统结构分析** 系统主要由以下几个部分组成： - **主控制器**：MC9S12XS128MAA单片机，负责接收传感器数据并执行控制算法。 - **电机驱动**：BTS7960电机驱动器，用于驱动电机实现旋转动作。 - **传感器**：MPU6050加速度计陀螺仪模块，用于获取摆杆的位置信息。 - **电源模块**：为整个系统提供稳定的电源供应。 #### 理论分析与计算 **3.1 电动机选型** 根据系统的需求，选择了合适的直流电机。考虑到负载能力和能耗问题，电机的选择需满足以下条件： - 足够的扭矩以克服摆杆的重量。 - 适当的转速范围以适应不同的控制策略。 - 较低的能耗以延长系统的工作时间。 **3.2 摆杆状态检测** 摆杆的状态检测是整个控制系统的关键。通过MPU6050加速度计陀螺仪模块实时监测摆杆的位置和角加速度，这些数据对于调整电机的旋转速度至关重要。为了提高精度，采用了数字滤波技术来减少噪声干扰。 **3.3 电动机驱动方案的比较与选择** BTS7960电机驱动器的选择基于其高效率和易于控制的特点。与其他驱动方案相比，它能够更好地适应高速旋转的需求，并且具有较高的电流承载能力，适用于本项目的电机控制需求。 **3.4 控制算法** 控制算法是实现摆杆稳定控制的核心。采用PID控制算法，通过不断调整PWM信号的占空比来改变电机的速度，进而调整摆杆的位置。PID参数的调整是关键步骤之一，需要通过实验来优化以达到最佳控制效果。 #### 系统电路设计 **4.1 总体电路框图** 系统的总体电路框图展示了各个模块之间的连接关系。主控制器通过I2C接口与MPU6050通信，获取传感器数据；通过PWM信号控制BTS7960电机驱动器，从而调节电机的转速。 **4.2 单元电路设计** - **电源模块**：采用稳压电源为系统供电，确保电压稳定。 - **传感器接口电路**：包括MPU6050与主控制器之间的接口电路。 - **电机驱动电路**：包括BTS7960与电机之间的连接电路。 通过上述设计，本项目成功实现了简易旋转倒立摆及其控制装置的功能目标。不仅展示了参赛者在电子设计领域的技术水平，也为后续的研究提供了有价值的参考案例。