[发明专利]一种旋转倒立摆控制实验系统及控制方法

权利要求书

1.一种旋转倒立摆控制实验系统，包括电位器测角度模块、控制驱动模块、角度监控模块；其特征在于：

电位器测角度模块使用型号为WDD35D-1的测角度模块，系统工作时将摆杆的角度通过电位器测角度模块转换为电压值得变化，然后传送给控制驱动模块进行处理；

控制驱动模块包括串口通信电路、MCU控制电路、功率放大电路；角度监控模块包括角度显示单元和参数设定单元；

电位器测角度模块的1脚与MCU控制电路的GND相连，2脚与MCU控制电路的PA4脚相连，3脚与MCU控制电路的VCC相连；串口通信电路的RXD脚与MCU控制电路的PA9脚相连，串口通信电路的TXD脚与MCU控制电路的PA10脚相连；功率放大电路的ENA脚与MCU控制电路的PB0脚相连，功率放大电路的IN1脚与MCU控制电路的PD4脚相连，功率放大电路的IN2脚与MCU控制电路的PD5脚相连；功率放大电路的OUT1和OUT2与电机的正负端相连；角度显示单元和参数设定单元通过一根USB串口线与串口通信电路的USB接口相连；

串口通信电路包括第一USB转串口芯片U1、USB接口、第一晶振Y1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4；所述的第一USB转串口芯片U1型号为CH341；

第一USB转串口芯片芯片U1的6脚与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端接地；第一USB转串口芯片芯片U1的7脚与USB接口的D+脚相连接，8脚与USB接口的D-脚相连接；第一USB转串口芯片U1的9脚同时与第四电容C4的一端、第一晶振Y1的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一USB转串口芯片U1的19脚相连接并接地；第一USB转串口芯片U1的10脚同时与第一晶振Y1的另一端、第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第一USB转串口芯片U1的13脚与第一USB转串口芯片U1的20引脚、第二电容C2的一端相连接并同时接5V电压；第一USB转串口芯片U1的11脚与第一USB转串口芯片U1的12脚、第二电容C2的另一端相连接并接地；USB接口的VCC脚接5V电压，两个SHELL脚相互连接，GND脚接地；第一USB转串口芯片U1的1脚、2脚、5脚、14脚、15脚、16脚、17脚、18脚、19脚架空；

MCU控制电路包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第68脚和69脚分别与第一USB转串口芯片U1的4脚和3脚相连接；第二芯片U2的6脚、11脚、21脚、22脚、28脚、50脚、75脚和100脚接3.3V电压；第二芯片U2的10脚、19脚、20脚、27脚、49脚、74脚和99脚均接地；第二芯片U2文中未提到的其他引脚皆架空；

所述的第二芯片U2是整个控制驱动模块的核心控制芯片，是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103VBT6， 

功率放大电路包括的电机驱动芯片U3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第一接口器J1；

电机驱动芯片U3的1脚接地，2脚同时与第一二极管D1的正端和第五二极管D5的负端相连并与第一接口器J1的一个引脚连接，3脚同时与第二二极管D2的正端和第六二极管D6的负端相连并与第一接口器J1的另一个引脚连接，第13引脚同时与第三二极管D3的正端和第七二极管D7的负端相连，第14引脚同时与第四二极管D4的正端和第八二极管D8的负端相连， 8脚、15脚同时与第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8的正端相连并接地；4脚与第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4的负端连接并接12V电源，9脚与5V电源相连，5脚与第二芯片的85脚相连，7脚与第二芯片的86脚相连，6脚与第二芯片的35相连， 6脚与第二芯片U2的35脚相连接；其余的引脚均浮空；

所述的电机驱动芯片U3型号为LM298；第一接口器J1型号为301-2P接线端子。

2.根据权利要求1所述的一种旋转倒立摆控制实验系统，该系统的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1. 对电位器测角度模块、控制驱动模块和角度监控模块进行初始化；

步骤2. 角度监控模块中的参数设定单元输入摆杆目标角度信息和控制参数，角度监控模块将输入的目标角度信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据摆杆目标角度和当前角度计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制电机转速； 

其中MCU控制电路具体工作如下：

打开MCU控制电路中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过功率放大电路驱动电机，使摆臂和摆杆摆动；同时电位器测角度模块开始测量摆杆的角度，并实时将数据传送给MCU控制电路；同时MCU控制电路通过串口读取角度监控模块发送的摆杆目标角度信息，并对摆杆目标角度信息与摆杆当前角度进行比较，使用模糊PID算法对摆杆进行稳定控制；MCU控制电路实时检测角度监控模块发送的摆杆目标角度信息，并根据收到的摆杆目标角度信息随时更改模糊PID控制算法数据和控制摆臂的摆动；

步骤3. 电位器测量度模块时刻检测摆杆角度信息，并将摆杆角度信息发送给控制驱动模块，控制驱动模块再通过串口通信电路将摆杆角度信息发送给角度监控模块；角度监控模块中的角度显示单元显示摆杆角度信息。