[發明專利]一種旋轉倒立擺控制實驗系統及控制方法

無效

• 申請號: 201410261901.6
• 申請日: 2014-06-12
• 公開（公告）號: CN104035450A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 余善恩;陸建鋒;熊偉鵬;董亦明
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

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；其特征在于：

電位器測角度模塊使用型號為WDD35D-1的測角度模塊，系統工作時將擺桿的角度通過電位器測角度模塊轉換為電壓值得變化，然后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1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PA10腳相連；功率放大電路的ENA腳與MCU控制電路的PB0腳相連，功率放大電路的IN1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OUT1和OUT2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轉串口芯片U1、USB接口、第一晶振Y1、第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4；所述的第一USB轉串口芯片U1型號為CH341；

第一USB轉串口芯片芯片U1的6腳與第一電容C1的一端相連接，第一電容C1的另一端接地；第一USB轉串口芯片芯片U1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轉串口芯片U1的9腳同時與第四電容C4的一端、第一晶振Y1的一端相連接，第四電容C4的另一端與第一USB轉串口芯片U1的19腳相連接并接地；第一USB轉串口芯片U1的10腳同時與第一晶振Y1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轉串口芯片U1的13腳與第一USB轉串口芯片U1的20引腳、第二電容C2的一端相連接并同時接5V電壓；第一USB轉串口芯片U1的11腳與第一USB轉串口芯片U1的12腳、第二電容C2的另一端相連接并接地；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轉串口芯片U1的1腳、2腳、5腳、14腳、15腳、16腳、17腳、18腳、19腳架空；

MCU控制電路包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第68腳和69腳分別與第一USB轉串口芯片U1的4腳和3腳相連接；第二芯片U2的6腳、11腳、21腳、22腳、28腳、50腳、75腳和100腳接3.3V電壓；第二芯片U2的10腳、19腳、20腳、27腳、49腳、74腳和99腳均接地；第二芯片U2文中未提到的其他引腳皆架空；

所述的第二芯片U2是整個控制驅動模塊的核心控制芯片，是基于32位的ARM?Cortex-M3處理器STM32F103VBT6，?

功率放大電路包括的電機驅動芯片U3、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4、第五二極管D5、第六二極管D6、第七二極管D7、第八二極管D8、第一接口器J1；

電機驅動芯片U3的1腳接地，2腳同時與第一二極管D1的正端和第五二極管D5的負端相連并與第一接口器J1的一個引腳連接，3腳同時與第二二極管D2的正端和第六二極管D6的負端相連并與第一接口器J1的另一個引腳連接，第13引腳同時與第三二極管D3的正端和第七二極管D7的負端相連，第14引腳同時與第四二極管D4的正端和第八二極管D8的負端相連，?8腳、15腳同時與第五二極管D5、第六二極管D6、第七二極管D7、第八二極管D8的正端相連并接地；4腳與第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4的負端連接并接12V電源，9腳與5V電源相連，5腳與第二芯片的85腳相連，7腳與第二芯片的86腳相連，6腳與第二芯片的35相連，?6腳與第二芯片U2的35腳相連接；其余的引腳均浮空；

所述的電機驅動芯片U3型號為LM298；第一接口器J1型號為301-2P接線端子。

2.根據權利要求1所述的一種旋轉倒立擺控制實驗系統，該系統的控制方法，具體包括如下步驟：

步驟1.?對電位器測角度模塊、控制驅動模塊和角度監控模塊進行初始化；

步驟2.?角度監控模塊中的參數設定單元輸入擺桿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，MCU控制電路根據擺桿目標角度和當前角度計算出PWM波的占空比并產生相應占空比的PWM波，通過PWM波驅動功率放大電路控制電機轉速；?

其中MCU控制電路具體工作如下：

打開MCU控制電路中的MCU的定時器和中斷，輸出設定的PWM波，通過功率放大電路驅動電機，使擺臂和擺桿擺動；同時電位器測角度模塊開始測量擺桿的角度，并實時將數據傳送給MCU控制電路；同時MCU控制電路通過串口讀取角度監控模塊發送的擺桿目標角度信息，并對擺桿目標角度信息與擺桿當前角度進行比較，使用模糊PID算法對擺桿進行穩定控制；MCU控制電路實時檢測角度監控模塊發送的擺桿目標角度信息，并根據收到的擺桿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；

步驟3.?電位器測量度模塊時刻檢測擺桿角度信息，并將擺桿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將擺桿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桿角度信息。