基于STM32的單級旋轉倒立擺控制系統的設計與實現

摘 要：對單級旋轉倒立擺的控制系統進行了研究，提出了以STM32為核心的控制器設計，在控制策略上采用經典控制理論PID的控制算法，實現對單級旋轉倒立擺旋轉臂及擺桿的同時閉環控制，最終測試結果表明系統控制策略有效。

關鍵詞：STM32；倒立擺；閉環控制

引言

倒立擺控制系統是自動控制理論的重要研究平臺，可對應于火箭垂直發射控制技術，因此對它的研究具有重大的實踐意義和價值。目前對倒立擺的研究主要分為系統力學分析及建模，控制算法及仿真，而對實現手段少有研究。文章討論了以STM32為核心的倒立擺控制器的設計與實現，它實現了經典雙回路PID控制算法對旋轉單級倒立擺的控制策略。

1 控制系統硬件設計

倒立擺的系統主要由四部分構成：控制器，驅動系統，檢測裝置及機械部分。其中由于控制器需要完成復雜的PID運算，要求系統反饋控制速度快，因此以具有ARM核的32位STM單片機為核心完成控制算法；檢測裝置由光電碼盤構成，主要用于檢測電機轉動速度及擺桿的角加速度，本系統中采用200P/R的歐姆龍光電編碼器。驅動部分采用飛思卡爾公司生產的電機驅動芯片mc33886，其輸出電流可以達到5A，可以實現電機PWM 調速，正反轉，制動等實時控制功能。紅外遙控及鍵盤為系統調試輔助裝置，可以在系統運動過程中對程序中的P，I，D參數進行微調。控制系統部分硬件電路結構如圖1所示。

圖1 控制系統結構框圖

系統中以STM32為核心的控制器控制電機正反轉帶動旋轉臂來回擺動從而帶動擺桿做圓周運動至直立狀態，直立后迅速切換電機運行模式使擺臂穩擺。系統中由檢測裝置測得的擺臂位置，擺臂加速度及電機當前轉速等參數反饋回STM32進行綜合PID計算，輸出PWM波進行電機調速從而使系統能處于穩態。控制系統的核心為STM32中對控制算法的實現。

2 控制算法及程序設計

倒立擺系統的控制過程是：通過電機帶動旋轉臂轉動產生合適的力u使得旋轉臂和擺桿在某一給定的初始條件下能夠快速到達新的動態平衡。本系統是單輸入雙輸出系統，在控制方案上采用采用經典控制理論的雙閉環PID控制，系統控制原理方框圖如圖2所示：

圖2 系統控制原理路

在控制策略上采用經典的PID閉環調節算法。常用的PID控制算法有兩種：增量式和位置式。增量式算法特點是累計誤差小，位置式算法特點是響應速度快。根據系統控制特點，采用位置式PID控制算法。

PID增量式控制算法，其算式為

式中u（k）為控制量，本系統中為電機轉向及轉速。e（k）為偏差，T為采樣周期，k為采樣序列，kp為比例系數，KI=KP■為積分系數，KD=Kp■為微分系數。采樣周期和采樣序列根據對擺桿的力學分析及香農定理得出。具體的P，I，D參數整定則需要在調試過程中通過不斷調整來確定。

系統程序設計主要完成了上述PID控制算法及PWM電機調速，完成了系統雙閉環控制電機轉速，從而實現了倒立擺控制系統。程序由主程序和4個子程序構成，子程序分別完成起擺，穩擺，穩擺并做圓周運動等動作。

為了驗證系統軟硬件系統是否有效，對系統進行了系列測試，測試中采用精度為1°的360°角度指示板及精度為0.01s的秒表。測試數據如表1：

表1擺動測試數據

從測試數據反映，系統能夠在短時間內實現擺臂擺動及穩擺，且擺臂直立后擺動幅度小，在遇外力干擾后能迅速作出反應回到穩態。系統完成動作好，抗干擾能力強。

3 結束語

文章給出了一種倒立擺系統的設計方案，并成功地設計了倒立擺系統的硬件部分和軟件部分，最終構建了一個倒立擺系統。為了驗證系統的有效性，進行了測試，數據證明設計是成功的。本系統對多種工程問題，如電磁直立行車的直立駕駛實時控制設計提供了的重要的借鑒和參考價值。

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作者簡介：王立謙（1975-），女，四川人，漢族，碩士研究生，現工作于華中科技大學武昌分校自動化教研室，講師，研究方向：嵌入式系統，EDA技術。