基于ARM单片机的智能旋转倒立摆系统设计

　　2.2.2 旋转臂动力模块方案比较

　　方案一：采用自己搭建的双H桥电机驱动电路驱动电机，此种方案放弃采用现成的驱动芯片，自己设计驱动电路。由于本系统要求电机驱动部分稳定工作，经多次试验证明，自己设计的驱动电路仿真实验还可以，但实际应用中还是不稳定。

　　方案二：采用ULN2003A芯片驱动电机。ULN2003A由7个NPN达林顿管组成，但要驱动电机需要的外部电路比L298N复杂。

　　方案三：采用L298N电机驱动芯片驱动电机。此芯片实现的四种电机状态已经完全满足题目要求，且四种状态控制简单，故在本系统中采用此方案。

　　2.2.3 倒立摆角度测量模块方案比较

　　方案一：数字加速度传感器。MMA7455数字加速度传感器是一款数字输出(I2C/SPI)、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚检测、以及脉冲检测(用于快速运动检测)等功能。但是由于其成本高，控制比较复杂和麻烦。

　　方案二：采用精密可调电位器。电位器精度较高，高速运动过程中抗干扰能力较强，安装方便，虽然有小范围盲区但容易消除。

　　综合以上二种方案，在本系统中选择方案四，使用WDY35D-4精密可调电位器，它轴载荷能力和抗干扰能力强，体积小，重量轻，适用于精密环境。

　　2.3 摆杆状态检测模块详细设计与分析

　　通过将导电塑料电位器安装在旋转臂的一端，旋转臂旋转带动导电塑料电位器进行计数，将导电塑料电位器计数值输给单片机，然后实现控制。利用编码器测量电机转速，从而实现对电机速度的控制。

　　摆动公式：
    

　　constA——控制角度常量

　　3 机械与硬件系统设计

　　3.1 机械部件设计

　　旋转倒立摆系统主要由旋转臂、倒立摆、支架、主控电路、伺服电机以及电位器等组成。本设计要求倒立摆的稳定性、精确性、快速性和平衡能力较高，因此，以木板作为底座，以合金钢做支架，保证结构的稳定性，以合金材料做旋转臂，将直流电机固定在支架上，通过转轴与旋转臂连接，带动旋转臂旋转，保证控制的精确性和快速性。编码器与旋转臂固连，伺服电机产生的驱动力使旋转臂根据摆杆角度的变化而旋转，使摆杆能摆动并实现各种功能。将摆杆与电位器通过联轴器相连，用电位器旋转的次数检测摆杆的状态，摆杆摆动的角度大小与电位器旋转的次数有一个对应的关系。由于WDY35D-4电位器理论电气转角:345°±2°,存在一定测量盲区，所以在安装前需要测定盲区位置，将盲区位置对应到以自然下垂状态(摆角0°)为起始的270°至300°位置间，因为在此区间内不需要测量特定数据，摆杆可依靠惯性完成剩余圆周运动。在通过电位器采集倒立摆的角度信号输给单片机，编码器采集旋转臂的速度信号输给单片机，单片机控制电机驱动，使倒立摆能够顺利完成任务。安装如图3所示。

　　3.2 主控模块硬件电路详细设计

　　考虑到单片机控制精度、稳定性，以及扩展方便与否等方面的特点，我们做的旋转倒立摆系统采用野火Kinetis核心板加上自主设计的主控板进行控制。如图4所示。