1 簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置及其功能要求

　　設(shè)計(jì)并制作一套簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置。旋轉(zhuǎn)倒立擺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電動(dòng)機(jī)A固定在支架B上，通過(guò)轉(zhuǎn)軸F驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂C旋轉(zhuǎn)。擺桿E通過(guò)轉(zhuǎn)軸D固定在旋轉(zhuǎn)臂C的一端，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂C在電動(dòng)機(jī)A驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)擺桿E在垂直于旋轉(zhuǎn)臂C的平面作自由旋轉(zhuǎn)。

　　1.2 基本要求

　　(1)擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)(擺角0°)開(kāi)始，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動(dòng)，并盡快使擺角達(dá)到或超過(guò)-60°~ +60°;

　　(2)從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，盡快增大擺桿的擺動(dòng)幅度，直至完成圓周運(yùn)動(dòng);

　　(3)在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近165°位置，外力撤除同時(shí)，啟動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少5s;期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不大于90°。

　　(4)從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盡快使 擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少10s;

　　(5)在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或2s內(nèi)恢復(fù)倒立狀態(tài);

　　(6)在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運(yùn)動(dòng)，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過(guò)角度達(dá)到或超過(guò)360°;

　　2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與理論分析

　　2.1 系統(tǒng)總體框圖

　　根據(jù)題目要求，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，使旋轉(zhuǎn)臂在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，倒立擺能夠完成擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、倒立以及倒立抗干擾等一系列要求。制定了如下總體設(shè)計(jì)框圖如圖2。

　　2.2 關(guān)鍵模塊方案比較與選定

　　2.2.1 主控模塊方案比較

　　方案一：采用AT89C52單片機(jī)，單片機(jī)原理簡(jiǎn)單，成本低，為歷年競(jìng)賽廣泛采用，但是其速度慢、存儲(chǔ)容量小，難以完成精準(zhǔn)的PWM算法。

　　方案二：采用Kinetis K60 Cortex ™-M4單片機(jī)，其控制精度等一系列性能指標(biāo)都較高，對(duì)于解決實(shí)時(shí)性較高的問(wèn)題是很好的選擇，并且能夠方便地解決整個(gè)系統(tǒng)的問(wèn)題，是個(gè)很好的控制方案，且符合一般性對(duì)單片機(jī)低功耗的要求。

　　方案三：采用MC9SXS128單片機(jī)，單片機(jī)需要較高的控制精度，價(jià)格合理，基本能夠?qū)崿F(xiàn)的PID控制等一系列功能。但是這款單片機(jī)主頻還是不算高，對(duì)于快速控制和運(yùn)算方面仍然有些不足。

　　結(jié)合實(shí)際采用了方案二。