CN104267666A - 一种环形倒立摆稳摆控制器 - Google Patents

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李相武
王瑛
李忠喜
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors

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Abstract

本发明公开了 一种环形倒立摆稳摆控制器，包括主控芯片、驱动电路和信号处理电路。主控芯片为XE164FN，负责系统的电机控制、磁链估算以及信号采样及处理电机；驱动电路用的由mosfet组成全桥电路；倒立摆的旋转杆和摆杆处各有一个电位器，利用单片机的数模转换部分将电位器采集到的模拟角度转换成数字角度，经过运算可以得到旋转杆和摆杆的角度和角速度，然后再将角度和角速度信号带入到控制算法中可以得到控制量，然后利用捕获比较单元将控制量转换成PWM信号控制电机，实现了环形倒立摆的自动起摆以和稳摆控制。

Description

一种环形倒立摆稳摆控制器
所属技术领域
本发明涉及一种稳摆控制器，尤其是基于能量反馈和BVP算法控制的一种环形倒立摆稳摆控制器。
背景技术
倒立摆系统是现代控制理论研究中的典型的研究对象一个典型的多变量、不稳定的非线性系统。倒立摆具有结构简单，成本低廉的特点，便于使用各种方法进行控制，是控制理论和实际应用研究中的热点，常被用来检测控制方法。由于倒立摆系统并不稳定，所以它的稳定性一直是控制理论中的典型的问题。其在控制理论中作为一个实验装置，成本低廉，结构简单，可以实现多种不同的控制方式；倒立摆作为一个被控对象，又是相对复杂的，倒立摆是不稳定的、多变量且非线性的系统，只有在采取了有效的控制方法后才能使倒立摆稳定。倒立摆系统的控制效果可以用他的稳定性很直观的体现出来，也可以用摆杆角度、旋转杆角度和稳定时间直接测量，倒立摆的实验效果比较直观，当新的控制理论和方法出现后可以用倒立摆验证控制理论和方法的正确性和实用性，或是和其他的控制理论和方法进行比较。
简单的倒立摆系统是现代控制理论教学中较为成熟的产品，在各个高校的实验室中，倒立摆系统基本是不可缺少的实验设备。许多典型的多输入系统，例如倒立摆系统模型建立、最优化的控制、以及极点配置、非线性系统等控制理论中的许多方面的问题都可以用倒立摆系统进行检验。倒立摆系统看起来结构比较简单，却是一个不稳定的、不易控制的系统，一级倒立摆相相对控制难度较小。在控制复杂的倒立摆系统时，通过引入人工智能，如模糊控制和神经网络控制，可以进行有效的简化和操作，在较复杂倒立摆控制系统中起到了比较大的作用。
发明内容
一种环形倒立摆稳摆控制器，其特征在于：该系统由主控芯片、倒立摆、驱动电路和信号处理电路组成。
所述主控芯片为XE164FN，负责系统的电机控制、磁链估算以及信号采样及处理电机；所述驱动电路用的由mosfet组成全桥电路；所述倒立摆上设有旋转杆和摆杆，旋转杆和摆杆处各有一个电位器。利用单片机的数模转换部分将电位器采集到的模拟角度转换成数字角度，经过运算可以得到旋转杆和摆杆的角度和角速度，然后再将角度和角速度信号带入到控制算法中可以得到控制量，然后利用捕获比较单元将控制量转换成PWM信号控制电机，实现了环形倒立摆的自动起摆以和稳摆控制。
本发明的目的在于设计一种环形倒立摆稳摆控制器。本设计通过对倒立摆的位置状态进行数据采集，再对电机进行调速，实现对倒立摆系统位置的控制。
本发明的有益效果：该发明针对环形倒立摆，设计一种起摆和稳摆控制器，结构简单方便，易于实现。
附图说明
图1为本发明的系统原理结构图；
图2为本发明的系统程序流程图；
图3为信号处理电路原理图；
图4为功率驱动电路图原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和具体连接关系做更详细地描述：
结合图1，图1是本发明的系统原理结构图；本发明包括主控芯片、驱动电路和信号处理电路。主控芯片为XE164FN，负责系统的电机控制、磁链估算以及信号采样及处理电机；驱动电路用的由mosfet组成全桥电路；倒立摆的旋转杆和摆杆处各有一个电位器，利用单片机的数模转换部分将电位器采集到的模拟角度转换成数字角度，经过运算可以得到旋转杆和摆杆的角度和角速度，然后再将角度和角速度信号带入到控制算法中可以得到控制量，然后利用捕获比较单元将控制量转换成PWM信号控制电机，实现了环形倒立摆的自动起摆以和稳摆控制。
图2为本发明的系统程序流程图。当系统上电后开始进行系统的初始化，主要包括PWM输出设置、中断设置、定时器设置、I/O接口设置、ADC设置的初始化；然后码盘测量角位移，并将角位移信号传给数字信号处理模块；数字信号处理模块根据角位移的大小判断环形倒立摆进行起摆或是稳摆；最后通过单片机控制PWM模块对电机驱动，完成起摆或是稳摆动作。
结合图3和图4，它们是系统的部分电路原理图。图3为信号处理电路原理图，倒立摆旋转杆和摆杆的角度信号通过ADC模块对电位器的电压采集得到的，输出信号经过调理进入单片机模数转换器中，包括信号放大和滤波；图4为功率驱动电路图原理图，电路输出端VCC电压为15V，输入信号VDD电压为5V，C6、C7是自举电容，电容值是1uf，D1、D2的防止高电压进入电路输出VCC造成芯片损坏。

Claims (2)

1.一种环形倒立摆稳摆控制器，其特征在于：该系统由主控芯片、倒立摆、驱动电路和信号处理电路组成。
2.根据权利要求1所述的一种环形倒立摆稳摆控制器，其特征在于：所述主控芯片为XE164FN，负责系统的电机控制、磁链估算以及信号采样及处理电机；所述驱动电路用的由mosfet组成全桥电路；所述倒立摆上设有旋转杆和摆杆，旋转杆和摆杆处各有一个电位器。
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