風(fēng)力擺控制系統(tǒng)設(shè)計報告

1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）摘要本風(fēng)力擺控制系統(tǒng)以STM32F103C8單片機為控制核心，采用MOS管電機驅(qū)動，通過加速度陀螺儀MPU-6050來采集風(fēng)力擺的角度，并用按鍵輸入相關(guān)參數(shù)要求及測試模式，主控單元STM32F103C8單片機處理采集到的信號并給定PWM控制直流風(fēng)機。該系統(tǒng)硬件部分主要由電源模塊、單片機模塊、電機驅(qū)動模塊、按鍵模塊、陀螺儀、風(fēng)力擺等構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。主要運用STM32F103C8單片機控制直流風(fēng)機組，根據(jù)風(fēng)力擺的狀態(tài)，通過程序控制PID算法，使直流風(fēng)機組帶動整個風(fēng)力擺裝置的旋轉(zhuǎn)移動并保持一定平衡，實現(xiàn)了通過直流風(fēng)機組控制風(fēng)力擺運動、畫線、畫圓

2、及靜止等的功能。關(guān)鍵詞：STM32F103C8單片機；MPU-6050；電機驅(qū)動；PID算法2015年8月15日91. 系統(tǒng)方案論證1.1 單片機控制模塊的論證與選擇方案一：采用51單片機，價格低廉，應(yīng)用普遍，操作簡單，控制能力強。但是外設(shè)端口較少， 片內(nèi)資源少，運行速度很慢，需要外圍元件多。方案二：采用PLC單片機，可靠性高，抗干擾能力強，但體系結(jié)構(gòu)封閉，不兼容。方案三：采用STM32單片機，其程序都是模塊化的，接口相對簡單，而且自身帶有好多功能，工作速度快，且性價比較高。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2 電機驅(qū)動模塊的論證與選擇方案一：采用繼電器對電機開關(guān)進行切換，以調(diào)整風(fēng)力擺的周期。

3、但是繼電器的響應(yīng)時間慢，易損壞，可靠性不高。方案二：采用L298N電機驅(qū)動模塊，輸入端與單片機直接相連，便于控制。但驅(qū)動電流小，無法驅(qū)動大功率的風(fēng)機，且壓降大、易發(fā)熱，影響驅(qū)動性能。方案三：采用場效應(yīng)管IRFD120組成的電機驅(qū)動模塊，驅(qū)動能力好，易于調(diào)速、過載能力大、開關(guān)速度大，能耗小。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3 風(fēng)力擺方案的論證與選擇方案一：選用12V，2.4A的風(fēng)機，將朝著四個方向的風(fēng)機兩兩連接在一起形成正方環(huán)形風(fēng)力擺。但是風(fēng)扇環(huán)閉，影響進風(fēng)，且因為電流大，帶動慢，耗時。 方案二：選用12V，1.2A的風(fēng)機，用一塊板子將四個風(fēng)機分為兩層，相對擺放。小巧輕便，風(fēng)扇擺放未環(huán)閉，風(fēng)力

4、較好，且動力較足。綜合以上兩種方案，選擇方案二。1.4 角度檢測模塊的論證與選擇方案一：采用光電編碼器可以直接測出風(fēng)力擺角度，但是體積大、精度低、僅能測出擺桿角度。方案二：選用WDD35D5角度傳感器，根據(jù)擺桿旋轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生相應(yīng)阻值，但該方案需要AD轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度，且不易放置、僅能直接得到角度。方案三：選用MPU6050加速度陀螺儀，精度高，通過處理后可檢測到擺桿的旋轉(zhuǎn)角度及其加速度，以便對擺桿的控制。 綜合以上三種方案，選擇方案三。1.5 控制算法的論證與選擇方案一：采用LQR算法即線性二次型調(diào)節(jié)器 ,其對象是現(xiàn)代控制理論中以狀態(tài)空間形式給出的線性系統(tǒng) ,而目標函數(shù)為對象狀態(tài)和控制輸入的二次

5、型函數(shù)，LQR可得到狀態(tài)線性反饋的最優(yōu)控制規(guī)律，易于構(gòu)成閉環(huán)最優(yōu)控制，但編程復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大。 方案二：采用PID算法，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，將風(fēng)力擺對應(yīng)狀態(tài)的角度加入PID算法后通過PWM控制直流風(fēng)機旋轉(zhuǎn)方向與速度?？刂凭雀?且算法簡單明了，結(jié)構(gòu)改變靈活。綜合以上兩種方案，選擇方案二。2. 系統(tǒng)理論分析與計算2.1 風(fēng)力擺狀態(tài)檢測由于對旋轉(zhuǎn)及運動要求的限制，通過導(dǎo)線將加速度陀螺儀MPU-6050固定在風(fēng)力擺的擺桿上以此采集風(fēng)力擺狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過PID算法調(diào)節(jié)直流風(fēng)機運動效果。假如當(dāng)風(fēng)力擺在靜止狀態(tài)時，然后啟動往左的直流風(fēng)機（采用PD算法，當(dāng)偏離平衡角度越大，則PD反饋

6、給風(fēng)機占空比的值就越大），MPU-6050檢測出當(dāng)前的角度，再通過PID算法給芯片，使風(fēng)力擺桿保持向左運動的狀態(tài)。2.2 驅(qū)動與控制算法風(fēng)力擺運動是一個連續(xù)變化的過程，旋轉(zhuǎn)的變化也是一個連續(xù)漸變的過程。本設(shè)計中STM32F103C8單片機通過處理MPU-6050采集的風(fēng)力擺當(dāng)前狀態(tài)角度調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，進而控制直流風(fēng)機組的方向及速度變換，從而實現(xiàn)對風(fēng)力擺的控制。在連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，按偏差，比列，微分，積分進行的PID控制技術(shù)是一種應(yīng)用最廣泛的控制方式，所以本系統(tǒng)采用PID算法來控制直流風(fēng)機組的轉(zhuǎn)動。PID算法的控制數(shù)學(xué)模型如下：ut=kpet+1Ti0tetdt+TDd(et)dt其

7、中，kp為比例放大系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)，e(t)為風(fēng)力擺角度偏差。1）比例環(huán)節(jié)P 及時成比例地反映控制風(fēng)力擺系統(tǒng)的角度偏差e(t)，一旦產(chǎn)生誤差，立即調(diào)節(jié)減少誤差。Kp過大會使風(fēng)力擺系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)或振蕩現(xiàn)象，Kp過小又起不到調(diào)節(jié)作用，比例控制無法消除余差。2）積分環(huán)節(jié)I 主要用于消除余差，強弱程度取決于Ti，Ti越大則積分作用越弱，風(fēng)力擺系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，所以要找到合適的Ti。3）微分環(huán)節(jié)D 反映偏差信號的變化趨勢，在偏差信號值e(t)變得太大前， 產(chǎn)生響應(yīng)抑制偏差，使風(fēng)力擺系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，改善系統(tǒng)動態(tài)性能。圖 1 PID算法框圖2.3 系統(tǒng)分析風(fēng)力擺系統(tǒng)如下圖。圖 2 系統(tǒng)

8、原理圖當(dāng)要求繪制線段大于50cm時，只需L2大于25cm，或者要求實現(xiàn)任意設(shè)置的線段長度時，只需實現(xiàn)任意范圍內(nèi)角度的控制變化即可，讓風(fēng)力擺沿著X或者Y軸擺動，控制一個軸向的直流風(fēng)機，再根據(jù)距離計算并控制相應(yīng)的角度。由sin=L2L1,則控制角度=arcsinL2L1，精確控制可由PID算法實現(xiàn)。其中L1為風(fēng)力擺擺桿長度，L2為橫向一邊擺動的長度。而當(dāng)要求完成特定擺動方向時，則需同時控制X軸和Y軸方向的直流風(fēng)機，若與X軸夾角為，則需要兩個軸線上的直流風(fēng)機產(chǎn)生的空氣推力符合如下關(guān)系：tan= F1F2，其中F1為兩直流風(fēng)機在Y軸方向上的合力，F(xiàn)2為兩直流風(fēng)機在X軸方向上的合力。圖 3圓周運動原理圖

9、要求風(fēng)力擺做圓周運動時，則需要控制風(fēng)力擺擺桿與重力方向的夾角。如上圖，調(diào)節(jié)X軸方向上的直流電機的PID參數(shù)使擺桿穩(wěn)定至相應(yīng)的角度，再通過Y軸方向的直流電機驅(qū)動產(chǎn)生推力使其沿圓切線方向運動，從而繪制出圓形軌跡。3. 電路與程序設(shè)計3.1 系統(tǒng)總體框圖 整體系統(tǒng)由機械結(jié)構(gòu)、STM32F103C8單片機最小系統(tǒng)板、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、MPU-6050陀螺儀、按鍵模塊組成。圖 4系統(tǒng)總體框圖3.2 電路的設(shè)計 3.2.1 單片機最小系統(tǒng)框圖與電路原理圖本設(shè)計采用了STM32F103C8單片機，資源豐富，能使PWM信號的脈沖寬度實現(xiàn)秒級的變化，從而提高直流風(fēng)機的轉(zhuǎn)角精度。主要作用是：采集MPU-60

10、50數(shù)據(jù)，反饋閉環(huán)控制電機驅(qū)動，檢測鍵盤的鍵位，控制功能模式切換。圖 5單片機最小系統(tǒng)電路原理圖3.2.2 電機驅(qū)動模塊電路原理圖本模塊采用了IRFD120場效應(yīng)管電機驅(qū)動電路，且加入光耦TLP5H避免電機對單片機的干擾，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。主要作用是驅(qū)動直流風(fēng)機進行旋動。圖 6電機驅(qū)動電路原理圖3.2.3 MPU-6050陀螺儀原理圖MPU-6050整合了3軸陀螺儀和3軸加速度器，角速度全格感測范圍為250、500、1000與2000/sec (dps)，可準確追蹤快速與慢速動作。主要作用是：通過處理檢測風(fēng)力擺的旋轉(zhuǎn)角度并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機。圖 7 MPU-6050電路原理圖3.2.4

11、 按鍵模塊原理圖按鍵的一端接單片機的I/O口，通過按鍵的掃描，對不同按鍵賦予功能，并通過按鍵來進行對單片機操作的選擇。圖 8按鍵模塊電路圖3.3 程序的設(shè)計3.3.1 程序功能描述與設(shè)計思路1程序功能描述 1）可以實現(xiàn)特定長度的距離移動 2）可以實現(xiàn)特定方向即角度的移動 3）可以實現(xiàn)特定時間特定圓周的移動根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)鍵盤的模式切換。 2. 程序設(shè)計思路 首先對I/O、按鍵等初始化，讀取按鍵的值送入單片機中，進行模式切換，通過電機驅(qū)動實現(xiàn)風(fēng)力擺的運動與旋轉(zhuǎn)，連續(xù)讀取MPU-6050陀螺儀檢測風(fēng)力擺的位置狀態(tài)數(shù)據(jù)，檢測風(fēng)力擺是否達到要求狀態(tài)，若達到則結(jié)束。3.3.2 程序流程圖圖

12、9程序流程圖4. 測試方案與測試結(jié)果4.1 測試方案根據(jù)方案設(shè)計的要求，調(diào)試過程共分三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。1、硬件測試 首先電路按模塊調(diào)試，各模塊搭建硬件電路并分別測試成功，然后將分立的模塊搭建在一起測試整體功能。經(jīng)測試，我們的單片機模塊、電機驅(qū)動模塊、控制模塊、按鍵模塊均工作正常。 2、軟件仿真測試 軟件測試我們利用keil4軟件在線調(diào)試，程序編譯正確，執(zhí)行正常。3、硬件軟件聯(lián)調(diào) 在搭好的硬件上直接測試，通過串口將程序下載至單片機中，打開運行，經(jīng)過多次試驗結(jié)果正常。4.2 測試條件與儀器1.條件：多次檢測，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖相同，且檢查無誤，硬件電路保障無

13、虛焊。2.儀器：UNI-T UT33D 數(shù)字萬用表、秒表、穩(wěn)壓電源、米尺、自制方向角度圖紙3指標：1）風(fēng)力擺擺動直線距離2）風(fēng)力擺擺動角度3）風(fēng)力擺完成圓周情況4.3 測試結(jié)果與分析 1. 驅(qū)動風(fēng)力擺工作，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫出一條長度不短于50cm 的直線段，來回多次，記錄其由靜止至開始擺動時間以及偏移量如下表1：測試次數(shù)/次12345時間/S1614151613最大偏差量/cm2.82.32.62.82.1表 1畫長于50cm直線測試2.驅(qū)動風(fēng)力擺按設(shè)置由靜止開始擺動特定長度的直線段，多次測量記錄其由靜止開始擺動的時間以及偏移量如下表2：特定長度/cm3040506070最大偏差量/cm

14、2.32.62.01.92.1表 2畫特定長度直線測試3.驅(qū)動風(fēng)力擺按設(shè)置由靜止開始按特定角度擺動直線段，多次測量記錄其由靜止開始擺動的時間以及在角度和長度偏移量如下表3：特定角度/度00或180045或22590或27035或315最大偏移距離/cm2.01.81.51.7最大偏轉(zhuǎn)角度/度10685表 3恢復(fù)靜止狀態(tài)時間測試4.使風(fēng)力擺在特定角度處分開使其在5s內(nèi)靜止，多次測量其達到靜止狀態(tài)所用時間如下表4：特定角度/度300350400450時間/S87910表 4畫特定角度直線測試 5.驅(qū)動風(fēng)力擺使其以激光筆光點為圓心，設(shè)置半徑并畫圓，多次測量記錄其畫3次圓所用的時間以及圓半徑的最大偏差距離如下表5：半徑/c畫圓所用時間/S2426272528最大偏移距離/cm2.21.82.01.81.5表 5畫圓相關(guān)測試 6.測試分析與結(jié)論測試結(jié)果是基于多次測試后得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次測試后，基本完成所有任務(wù)。由此得出以下結(jié)論：1）風(fēng)機的性能不是特別理想，具有一定的滯后性，風(fēng)力擺也具有自旋性，一定程度上影響風(fēng)力擺運動效果。2）風(fēng)力擺的控制需要時間上的配合，加入的時間和參數(shù)至關(guān)重要。3）好的硬件電路是成功的奠基石。綜上，本設(shè)計基本達到設(shè)計要求。5. 結(jié)論經(jīng)過四