STM32F401驱动下，串级PID控制的简易旋转倒立摆设计与实现

本文主要介绍了基于STM32F401的简易旋转倒立摆和控制装置的设计与实现。该系统的核心控制技术是串级PID算法，它在电机控制中发挥关键作用，确保摆杆能够精确地进行圆周运动以及在倒立状态下保持稳定，对抗外部干扰。 硬件设计上，系统由STM32F401单片机最小系统、电机模块（MINI直流减速电机，具有4.32W输出功率和1kg·cm额定扭矩）、L298N电机驱动模块、WDD35D4角度传感器（用于监测摆杆角度）以及精密的机械结构组成。通过AB相磁编码器测量电机转速，实时调整电机工作状态，以达到控制摆杆运动的目的。 用户界面设计包括按键，允许用户切换不同的操作模式。软件部分，通过PID算法对摆杆角度和电机转速进行实时控制，实现了从自然下垂状态起摆、倒立、并在受到扰动后保持倒立等复杂动作的控制。 在方案选择上，作者对比了步进电机和直流电机，由于装置需要大扭矩来产生快速加速度，最终选择了直流电机，因其调速性能好且能提供足够的动力。控制算法方面，采用了线性二次型鲁棒控制（LQR）的简化版本，尽管摆动过程在实际中可能非线性，但这种方法仍提供了相对简单且高效的控制策略。 整个系统的设计旨在实现一个动态稳定的倒立摆控制系统，展示了STM32F401单片机在复杂控制系统中的应用潜力，以及串级PID算法在精确控制中的重要作用。通过实验验证，系统各项性能指标达到了预期，证明了其在实际应用中的可行性。