單片機在倒立擺控制系統的應用

倒立擺作為一種典型的控制系統實(shí)驗裝置，具有非線(xiàn)性、自然不穩定等特性，常用來(lái)作為檢驗某種控制理論或方法是否合理的典型方案。一階倒立擺系統能用多種理論和方法來(lái)實(shí)現其穩定控制，如ＰＩＤ、自適應、狀態(tài)反饋、模糊控制及人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )等多種理論和方法都能在倒立擺系統控制上得到實(shí)現。

　�。毕到y構成及工作原理

　　圖１為一階旋轉倒立擺結構示意圖。直流電機作為唯一的動(dòng)力裝置，與旋臂保持剛性連接，帶動(dòng)旋臂在水平面內旋轉，旋臂的一端通過(guò)轉軸（本系統選用電位器角度傳感器）與擺桿連接，擺桿可做垂直于旋臂的圓周運動(dòng)。在自然狀態(tài)下，擺桿為豎直下垂狀態(tài)。倒立擺控制的目的是通過(guò)控制直流電動(dòng)機的運動(dòng)狀態(tài)，使擺桿保持倒立狀態(tài)。

　　圖１倒立擺結構示意圖

　　系統工作原理如下：擺桿擺動(dòng)時(shí)，角度傳感器檢測擺桿的角度，根據角度傳感器的輸出特性，其輸出電壓經(jīng)Ａ／Ｄ轉換器轉換成電壓數字量，該數字量與期望的值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，通過(guò)單片機對該偏差進(jìn)行處理，即ＰＩＤ控制運算，根據運算結果產(chǎn)生控制信號控制電機和旋臂的轉動(dòng)，使擺桿的角度與期望的角度更接近。

　　倒立擺控制系統結構框圖如圖２所示，單片機（５１單片機）為控制器，直流電機為執行器，倒立擺為被控對象，倒立擺角度為被控量，角度傳感器和模數轉換器構成反饋回路。

　　圖２倒立擺控制系統結構框圖

　�。� 倒立擺控制系統的硬件設計

　�。玻�１單片機最小系統

　　該系統中選用了ＳＴＣ９０Ｃ５１單片機，該型單片機

　　具有以下特點(diǎn)：①八位ＭＣＵ核，與傳統８０５１兼容；②大容量存儲空間，包括６４ｋＢ程序空間，１２８０Ｂ

　�。樱遥粒偷�；③具有４個(gè)八位并行Ｉ／Ｏ口，３個(gè)定時(shí)／計數器，２個(gè)外部中斷源和１個(gè)全雙工ＵＡＲＴ傳輸口；④５Ｖ供電時(shí)，最高支持８０ＭＨｚ振蕩頻率，具備高速浮點(diǎn)運算能力，適合倒立擺系統等較為復雜的控制系統使用。５１單片機最小系統如圖３所示。

圖3 51單片機最小系統

　�。玻�２擺桿角度檢測

　　檢測擺桿角度所用到的角度傳感器種類(lèi)非常多，常用的有電位器式角度傳感器、光電編碼器、陀螺儀模塊等。由于電位器式角度傳感器原理簡(jiǎn)單，檢測精度取決于所用Ａ／Ｄ轉換器的精度，成本相對較低，因此，綜合多方面要求，本系統選用電位器式角度傳感器。

　　傳感器返回的電壓信號無(wú)法被單片機直接識別，所以需要通過(guò)Ａ／Ｄ轉換，將模擬電壓信號轉換為二進(jìn)制數的形式，然后單片機才能計算出偏差，進(jìn)而產(chǎn)生相應的輸出。Ａ／Ｄ轉換器常用的有８位和１２位輸出，在本系統中選用８位Ａ／Ｄ轉換器即可滿(mǎn)足控制要求，其型號選用ＡＤＣ0809，相應電路原理圖見(jiàn)圖４。

圖4 Ａ／Ｄ轉換電路

　�。粒�Ｄ轉換器的時(shí)鐘脈沖為單片機ＡＬＥ引腳輸出的脈沖經(jīng)７４ＬＳ７４芯片分頻之后得到，Ａ／Ｄ轉換器的８位數字信號通過(guò)單片機的Ｐ０口進(jìn)行采集與處理。

　�。玻�３驅動(dòng)電路

　　本系統選用的直流電機額定電壓為２４Ｖ，額定功率為３０Ｗ，單片機的Ｉ／Ｏ口不足以提供如此大的驅動(dòng)能力，故需采用驅動(dòng)電路。常用的直流電機驅動(dòng)芯片為Ｌ２９８Ｎ，可驅動(dòng)兩路直流電機，最大驅動(dòng)電壓為４６Ｖ，最大電流２Ａ～３Ａ，滿(mǎn)足設計要求。直流電機驅動(dòng)電路如圖５所示。

圖５　直流電機驅動(dòng)電路

　　圖５中，Ｌ２９８Ｎ的ＥＮＡ為使能端，可作為單片機ＰＷＭ（脈寬調制）控制端，控制直流電機轉速；ＩＮ１和ＩＮ２為信號輸入端，ＯＵＴ１和ＯＵＴ２為輸出端，輸出

　　狀態(tài)與輸入狀態(tài)對應，控制直流電機轉向。輸出端的二極管為續流二極管，起保護電動(dòng)機線(xiàn)圈的作用。

　�。车沽�擺控制系統的軟件設計

　�。常�１控制算法

　　本系統采用ＰＩＤ控制算法，ＰＩＤ算法適用于負荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求高的控制系統。ＰＩＤ算法有３個(gè)可設定參數，即比例放大系數ＫＰ、積分時(shí)間常數ＴＩ、微分時(shí)間常數ＴＤ。比例調節的作用是使調節過(guò)程趨于穩定，但會(huì )產(chǎn)生穩態(tài)誤差；積分作用可消除被調量的穩態(tài)誤差，但由于積分飽和等原因可能會(huì )使系統振蕩甚至使系統不穩定；微分作用能有效地減小動(dòng)態(tài)偏差［４］。其傳遞函數為：容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持