基于STM32控制的旋转倒立摆

文章目录

- 基于STM32控制的旋转倒立摆
前言
一、旋转倒立摆的结构
- 1.相对编码器与绝对编码器
- 2.相对编码器与绝对编码器的信号采集
- 3.STM32编码器模式
- 4.使用STM32CubeMx配置过程
二、倒立摆模型建立
三、实验方案与实验现象
- 1.整体方案
- 2.实验现象与上位机数据
反思与总结

前言

近期在学习简易旋转倒立摆装置，倒立摆其实是一个十分经典的自动控制模型，不过开始学习了解结构和原理还是花了很多时间，在思路以及调试过程中遇到了很多困难。
我认为倒立摆有两个难点，一个是自动起摆一个是机械结构，其中自动起摆涉及到PID算法与运动方程的求解，而机械结构主要是尽量减小转动阻尼同时避免旋转时线的缠绕。我买了平衡小车家的机械结构套件，他们为了避免线缠绕使用了导线环，这是一个好东西，可以完美解决导线缠绕问题。主要想讲一下我做的整个过程以及反思总结。

一、旋转倒立摆的结构

整个机械结构主要是三个部分用于带动整个结构运动的电机，一个测量主动摆位置的编码器，以及一个测量摆杆位置的编码器。查阅资料后发现两者是有区别的，一个是相对编码器（测量主动摆位置），一个是绝对编码器（测量随动摆位置的），下面会主要介绍什么是增量式编码器与绝对编码器。

1.相对编码器与绝对编码器

增量式编码器：增量式旋转编码器在电机旋转时输出脉冲。要使用增量编码器确定轴
位置，必须知道起始位置并使用外部电路来计算输出脉冲数。
绝对编码器：绝对旋转编码器输出对应于旋转角度的数字代码。无需计算脉冲就能了解电机轴的位置。只需要读取编码器的数字输出。
增量式编码器的特点：增量式编码器非常适合测速度，可无限累加测量。但是存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题。增量式编码器只输出设备的位置变化和运动方向，不会输出设备的绝对位置。
绝对编码器的特点：角位移传感器为单圈绝对值编码器，由机械位置决定的每个位置是唯一的（每个位置的高低电平不同），不需要找参考点，抗干扰性较强,一般用来测量位置位移。
简单来说增量编码器就是通过是输出脉冲让后让单片机计数脉冲数来算速度，绝对编码器就是直接输出角度变化的数字量。而我使用的是增量式编码器中的增量式霍尔编码器。霍尔编码器是一种通过磁电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。霍尔编码器是由霍尔码盘和霍尔元件组成。霍尔码盘是在一定直径的圆板上等分地布置有不同的磁极。霍尔码盘与电动机同轴，电动机旋转时，霍尔元件检测输出若干脉冲信号，为判断转向，一般输出两组存在一定相位差的方波信号。

2.相对编码器与绝对编码器的信号采集

知道了两种编码器的工作方式就能清楚地知道如何去使用了，其中增量式霍尔编码器通过计算编码器产生的脉冲个数从而获取运动方向和速度。绝对编码器其实核心是一个电位器，它的阻值会随着旋转角度不同而不同。这里使用的是STM32的编码器模式获取增量式霍尔编码器的信号。绝对编码器主要是使用单片机的AD采样功能获取它的信号。

3.STM32编码器模式

在STM32中，编码器使用的是定时器接口，通过数据手册可知，定时器1，2，3，4，5和8有编码器的功能，而其他没有。编码器输入信号TI1,TI2经过输入滤波，边沿检测产生TI1FP1，TI2FP2接到编码器模块，通过配置编码器的工作模式，即可以对编码器进行正向/反向计数。

STM32编码器有三种工作模式，其中模式三即为上文中提到的四倍频模式。

4.使用STM32CubeMx配置过程

（1）首先打开timer3的encoder模式：

（2）下面才是重点，配置具体定时器的参数：

选择的encoderMode是 TI1和TI2模式。这种模式下，AB两相的上升沿和下降沿都会计数，所以计数值是实际值的4倍，需要做分频。还有个地方需要解释一下，我刚开始的时候就是把这里的设置没搞清楚，看Polarity参数设置的是Rising Edge。这个参数的意思是在检测到上升沿的时候就触发encoder捕获AB相的值，而并不是这里设置的是上升沿就只检测AB相的上升沿，下降沿还是同样会计数的。Input Filter滤波值是从1-15，看情况设定，是用来滤除一些杂波的。
（3）生成代码这样基本就配置好了，生成mdk工程。然后就是添加应用代码了。在初始化中添加打开定时器的encoder模式：

HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL);

然后定期调用下面这一句函数就可以获取到encoder编码器的计数值：

enc1 = (uint32_t)(__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3));//获取定时器的值

二、倒立摆模型建立

通过牛顿力学公式，在较为理想的情况下（无摩擦，主动摆、随动摆都是质量均匀的刚体）对倒立摆系统进行建模。

可以发现倒立摆系统在右半平面存在极点，它是一个不稳定的系统，同时它也是一个非线性系统。

三、实验方案与实验现象

1.整体方案

倒立摆是一种非线性、不稳定系统，而PID控制对于线性系统控制效果较好，对于倒立摆系统的建模是通过将目标值附近进行线性化得到的传递函数模型，进而通过PID控制将系统调控的稳定。对于初始位置离目标值较远，近似线性化模型已经不太吻合，PID就达不到很好的控制效果。所以起始阶段选用能量控制，让倒立摆运动到适合PID控制的位置。

关于能量控制：

摆杆的能量其实是一个系数可以改变的积分，所以给定了能量控制策略
摆杆一共有a>0,

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