学文网摘要：2013年全国大学生电子设计竞赛高职组C题，要求设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。讨论了不同方案的，最终以单片机为控制核心，对步进电机进行控制，根据摆杆的状态，通过程序控制，使电机带动旋转臂来控制摆杆摆动并保持一定的平衡，实现了功能要求。
关键词：旋转倒立摆；步进电机；单片机
1 控制要求
设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。电动机A固定在支架 B上，通过转轴 F驱动旋转臂 C 旋转。摆杆 E通过转轴D固定在旋转臂C的一端， 当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂 C 的平面作自由旋转。
1.1 基本要求
（1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角 0°）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°～ +60°；
（2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；
（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近 165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于 5s；期间旋转臂的转动角度不大于 90°。
1.2发挥部分
（1）从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立状态时间不少于10s；
（2）在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s 内恢复倒立状态；
（3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过角度达到或超过 360°。
2 摆杆运动状态的分析及控制策略
2.1 摆杆起振
摆杆从静止到振荡是一个需要摆动幅度逐渐增加的过程。而对于电机的控制，是通过检测到反馈到单片机的摆杆摆动的角度，然后单片机输出PWM控制一个小的加速度给电机，这个加速度摆杆向反方向摆动更大的角度。
基于以上的程序设计，结合分析了直流电机的物理模型之后，经过了一系列简化计算，电机的加速度几乎正比于控制电机的电压，电压大小可以通过单片机输出的PWM波的占空比的改变而改变的。因此我们根据反馈的摆动角度，算出响应的加速度控制电机加速转动，这样摆动角度越大，摆杆收到电机所给的加速度越大，形成一个正反馈环节，使摆杆逐步摆动幅度增大，实现起振。
2.2 摆杆做圆周运动
当摆杆起振后由于正反馈环的存在，电机通过旋转臂给摆杆做功，摆杆不断获取能量，摆杆摆杆摆动幅度越来越大，直到超过180度，能够完成一系列圆周运动。
2.3 摆杆达到倒立平衡状态
当摆杆能够摆到接近于180度的位置时（正负大约15度），希望摆杆能够趋向平衡位置（180度位置），并动态保持平衡。
要实现上述功能，首先开启摆杆的角度反馈，不给电机控制电压，然后用手转动摆杆，找到第一个Z相信号，并将之定在180的平衡位置上。然后每经过一个Z相信号，都会将角度标准重新标定一下（标定0度），，因为摆杆在最低点的往复摆中，由于方向时刻改变，而测速脉冲（编码器A相信号和B相信号异或之后的信号，相当于二分频）在方向不同是会有一个相移，导致测速脉冲有一个累积误差。经过实验，随着摆动次数增加，累积误差可高达10几度，导致零位严重偏移。而Z相信号的标定可以弥补这个误差。
在做完标定之后，将程序设计为一开始就通过PID调节给电机一个最大的加速度，使摆杆尽量能在一个摆动周期内摆至180度平衡位置附近，然后结束使摆杆幅度加大的正反馈环节，开始进入到所加的加速度随着摆杆与180度平衡位置夹角的大小成正比，但加速度的方向与夹角变化方向成反比的程序中。
2 系统的硬件设计
系统接收角度传感器反馈的信号，通过PCF8591将接收的信号转换成数字信号，将数值送入单片机中进行计算，可得出摆杆的位置，进而单片机控制步进电机，对摆杆进行控制，达到所要的旋转或者倒立的控制目标。
为了使系统能够实现各种复杂的控制功能，本设计采用一种功能强大的、高速低功耗性价比高的单片机STC89C52完成对其他部分控制。本设计采用SV01A103AEA01R00 旋转角度传感器（旋转电位器）对摆杆的倾斜角度进行数据采集，通过PCF8591 D/A转换芯片将数据送入单片机，单片机通过数据分析控制TB6560AHQ驱动电路，进而控制步进电机使步进机旋转达到设定的位置，用数码管显示A/D的数据。总体框***如***1所示。
3 程序的设计
程序首先对检测摆杆位置的增量编码器1的输入信号进行计数和方向识别，根据摆杆的摆角发出PWM波，对电机进行控制，同时接受外部计数器对旋转臂速度检测反馈回来的信息，综合两个反馈，根据基于物理模型得到的电机控制电压计算公式，控制电机使给摆杆一个加速度，不同的控制算法能够实现相应的功能，如起振，圆周运动，倒立平衡等。程序框***如***2所示。
4 结论
单片机输出占空比可变的PWM波控制电机角加速度，从而控制电机的加速度和给摆杆固定轴心的扭矩，实现控制摆杆的摆动幅度并达到和保持平衡状态。控制方式采用PID控制，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好的实现起振、圆周运动、倒立、360度倒立旋转，同时具有很好的抗扰动性能。
参考文献：
[1] 张有志. 全国大学生电子设计竞赛培训教程. 清华大学出版社，2013
[2] 宁武等. 新版大学生电子设计竞赛基本技能指导. 电子工业出版社，2013
[3] 郭天祥. 51单片机C语言教程. 电子工业出版社，2009
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