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倒立摆学 校：西安交通大学作 者：周长兴 万 星 邵永胜指导老师：张鹏辉 王中方 张翠翠摘 要：系统采用stm32f407作为倒立摆系统控制核心，实现摆的一系列功能。硬件由电源电路、CPU最小系统模块、电机驱动模块、编码器模块、显示模块等组成。算法采用双环PID进行控制，内环使用摆杆角度误差量作为反馈对电机速度进行控制，外环使用电机的角度位置进行反馈，与内环级联。测试表明各项指标都符合设计任务要求。关键词：STM32f407单片机、双环PID、倒立摆Abstract：System uses stm32f407 as the core of control system to achieve a series of functions of inverted pendulum. Hardware consists of the power circuit, CPU minimum system modules, motor drive module, the encoder module, display module and other components. We use Double loop PID as the control algorithm, the pendulum angle of error as a feedback control of the motor speed in the inner loop, the angular position of the motor feedback in the outer loop. Tests show that the indicators are in line with the design task requirements.Keywords：STM32f407； Double Loop PID；Inverted Pendulum一、系统方案与设计根据题目要求，系统主要实现倒立摆的各项功能，系统框图如图1.1所示，可分为电源模块、CPU最小系统模块、电机驱动模块、编码器模块、显示模块。图1.1 系统模块框图下面分别论证这几个模块的选择与机械结构的设计。控制器模块的论证与选择 方案一：采用以增强型80C51内核的STC系列单片机STC12C5A60S2，其片内集成了60KB程序Flash，2通道PWM、16位定时器等资源[3]，操作也较为简单，具有在系统调试功能（ISD），开发环境非常容易搭建。但实际使用了编码器等对速度要求较高的外设，因此无法很好地符合设计的需要。　 方案二： 采用以ARM Cortex-M4为内核的STM32系列控制芯片，STM32系列芯片时钟频率高达168MHz 具有512K字节SRAM，具有极强的处理计算能力[1]。较为适合需要快速反应的倒立摆系统。　通过比较，我们选择方案二，采用STM系列单片机STM32f407作为控制器。2．电源模块的论证与选择 方案一：采用两个电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。 方案二：采用单一电源供电。电源直接给电动机供电，因电动机启动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压模块分别供电。其供电电路比较简单。通过比较，稳压模块的稳定性较好，可以满足系统的要求。考虑到系统的精简性，我们选择方案二单电源对系统进行供电。电动机驱动模块的论证与选择使用stm32f101作为电机控制盒的芯片，产生PWM波控制，采用H桥驱动，系统框图如下。额外采用一个芯片进行电机控制可以有效减轻主芯片的工作压力，获得较好的控制性能，同时控制盒作为一个独立的整体，使用较为灵活方便，简化系统，易于维护。电机驱动程序流程图如下。图1.2 电机驱动程序流程图机械结构设计我们使用加重过的底盘，克服电机瞬间加减速时巨大的震动。摆杆使用实心的钢棒，充足的重量保证了其转动时不太受阻尼的影响而不灵活。与摆杆链接的转轴使用轴承座与水平臂连接，保证摆杆优良的灵活性。编码器接在转轴的后端，直接测量摆杆的角度值。电机使用伺服电机，其性能非常优异，可以对速度等进行精准的控制。电机与水平臂通过联轴器连接，避免了不同轴的问题对电机的伤害。水平臂做成双方向的，在摆杆的反方向加上配重，用以平衡重力与转矩，使整个系统能够做到静平衡和动平衡。这样，我们就搭建了一个稳定可靠的机械系统，这是的系统的各项参数处于比较稳定的状态，有利于后期控制系统的调节。二、系统理论分析与计算1. 环形倒立摆物理模型建立在忽略了空气阻力、各种摩擦之后，将环形倒立摆系统抽象成匀质摆杆和水平杆组成的刚体系统.环形一级倒立摆的结构如图所示：图2.1