風(fēng)力擺控制系統(tǒng)

.z.風(fēng)力擺控制系統(tǒng)〔B題〕2021年8月15日-.z.摘要本系統(tǒng)采用STM32F103V開發(fā)板作為控制中心，與萬向節(jié)、擺桿、直流風(fēng)機〔無刷電機+扇葉〕、激光頭、反應(yīng)裝置一起構(gòu)成擺桿運動狀態(tài)與風(fēng)機速度分配的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。單片機輸出可變的PWM波給電機調(diào)速器，控制4個方向上風(fēng)機的風(fēng)速，從而產(chǎn)生大小不同的力。利用加速度計模塊MPU6050，準(zhǔn)確測出擺桿移動的位置與中心點位置之間的關(guān)系，采樣后反應(yīng)給單片機，使風(fēng)機及時矯正，防止脫離運動軌跡。使用指南針模塊判別方向，控制系統(tǒng)向指定方向偏移?？刂品绞讲捎肞ID算法，比例環(huán)節(jié)進展快速響應(yīng)，積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)無靜差，微分環(huán)節(jié)減小超調(diào)，加快動態(tài)響應(yīng)。從而使該系統(tǒng)具有良好的性能，能很好地實現(xiàn)自由擺運動、快速制動靜止、畫圓、指定方向偏移，具有很好地穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：STM32F103V、直流風(fēng)機、MPU6050、PID、指南針GY-273Abstract：ThissystemadoptstheSTM32F103Vdevelopmentboardasthecontrolcenter,andtheuniversaljoint,swingingrod,dcfan(brushlessmotor+blades),laser,feedbackdevicetogetherformtheswingingrodmotionstateandfanspeeddistributionofthedoubleclosedloopspeedregulationsystem.MCUoutputvariablePWMwavestothemotorspeed,controlfourdirectionswindspeedofthefan,toproducedifferentsize.UsingaccelerometermoduleMPU6050,accuratelymeasurethepositionofswingingrodmobileandcenterposition,therelationshipbetweenthesamplingafterfeedbacktothesinglechipmicroputer,thefantimelycorrection,preventfromthetrajectory.Usethepassmodulejudgingdirection,deviationcontrolsystemtoaspecifieddirection.UsingPIDalgorithmcontrolmethod,proportionlinkforquickresponse,integralelementtorealizeastatic,differentiallinkdecreaseovershoot,speedupthedynamicresponse.Sothatthesystemhasgoodperformance,whichcanwellrealizethependulummovement,fastbrakestatic,circle,specifythedirectiondeviation,hasagoodstability.Keywords:STM32F103V,dcfan,MPU6050,PID,passGY-273目錄一、系統(tǒng)方案11.1系統(tǒng)根本方案11.1.1控制方案設(shè)計11.1.2機械構(gòu)造方案設(shè)計11.2各局部方案選擇與論證2電機選擇21.2.2電機驅(qū)動的選擇21.2.3擺桿與橫桿的連接選擇21.2.4擺桿與風(fēng)機的連接選擇3二、系統(tǒng)理論分析與計算32.1風(fēng)力擺位置的計算與分析32.2風(fēng)力擺運動狀態(tài)的分析32.3控制算法的分析4三、電路與程序設(shè)計43.1電路的設(shè)計4系統(tǒng)總體框圖4風(fēng)力擺控制系統(tǒng)總電路原理圖見附件14電源53.2程序的設(shè)計5程序功能描述與設(shè)計思路5程序流程圖6四、測試方案與測試結(jié)果64.1測試方案64.2測試條件與儀器74.3測試結(jié)果及分析7〔1〕測試結(jié)果7〔2〕測試分析與結(jié)論8五、結(jié)論與心得8六、參考文獻8-.z.風(fēng)力擺控制系統(tǒng)〔B題〕【本科組】一、系統(tǒng)方案1.1系統(tǒng)根本方案1.1.1控制方案設(shè)計為了實現(xiàn)題目要求我們采用STM32F103V單片機做為主控芯片，用加速度計陀螺儀模塊MPU6050來計算角度和風(fēng)機狀態(tài)，用直流風(fēng)機帶動擺桿運動。當(dāng)MPU6050檢測到擺桿的角度時，可根據(jù)三角函數(shù)公式計算出擺桿現(xiàn)在距離中心的具體位置〔方向、距離〕，單片時機控制PWM波的輸出大小來控制風(fēng)機的風(fēng)速與方向，使擺桿到達(dá)在特定位置靜止或按照一定的軌跡運動。當(dāng)擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)時，給四個風(fēng)機同時上電且風(fēng)向都向外，此時擺桿仍處于受力平衡——靜止?fàn)顟B(tài)。此時降低*軸上一個風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，擺桿將會帶動激光頭在*軸上畫一條直線，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的傾斜角度時，單片機可根據(jù)角度計算出此時距離中心的距離是否>=25cm，假設(shè)到達(dá)要求后，此風(fēng)機減速，*軸反方向上電機逐漸加速，恢復(fù)到初始速度，反方向做一樣的運動。在此過程中，單片機做出A/D采樣，Y軸方向方向風(fēng)機隨時做出矯正，防止發(fā)生軌跡偏移。角度傳感器控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖圖1控制系統(tǒng)框圖1.1.2機械構(gòu)造方案設(shè)計由于擺桿長度〔60cm~70cm〕較長，且要求激光頭在地面畫出15cm~35cm的圓，所以要求橫桿的距離要足夠長。橫桿長度較長加之?dāng)[桿重量較大，所以要求底座要有足夠的重量來支撐整個系統(tǒng)。如果構(gòu)造不穩(wěn)或者重量不夠，擺桿運動過程中將會產(chǎn)生傾倒或者抖動等現(xiàn)象，影響測試結(jié)果。于是，底座采用了"工〞型構(gòu)造，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。擺桿材料方面，我們選用輕便的硬質(zhì)鐵質(zhì)材料與風(fēng)機進展剛性連接，既能保證連接處的穩(wěn)定，又可到達(dá)減輕底座負(fù)擔(dān)的目的。風(fēng)機選擇方面，既要保證風(fēng)力夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)題目根本要求中的自由擺運動、快速制動靜止。又要有一定的重量，質(zhì)量越大，慣性越大，越不容易改變原來的運動狀態(tài)，在實現(xiàn)發(fā)揮局部〔2〕時，受到外界干擾，不容易改變原來的圓周運動狀態(tài)機械構(gòu)造如圖2圖圖2機械構(gòu)造圖底座；2.豎桿；3.橫桿；4.螺栓；5.萬向節(jié)；6.擺桿；7.風(fēng)機〔1〕；8.風(fēng)機〔2〕；9.風(fēng)機〔3〕；10.風(fēng)機〔4〕1.2各局部方案選擇與論證1.2.1電機選擇方案一：采用小型軸流風(fēng)機〔大功率〕，使用雙滾珠軸承，采用滾動摩擦的形式，軸承中有數(shù)顆微小鋼珠圍繞軸心，當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)動時，鋼珠即跟著轉(zhuǎn)動。因為都是球體，摩擦力較小，所以轉(zhuǎn)速較高。能到達(dá)8000RMP，同時產(chǎn)生較大的風(fēng)力。風(fēng)機內(nèi)力矩較大，是因為機內(nèi)繞了大量的銅線，導(dǎo)致重量較大，當(dāng)4個風(fēng)機固定到一起時，重量更大，風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)力帶動風(fēng)機運動困難加大，更難做到題目中按要求運動。另一方面，此風(fēng)機功率較大，所需電流較大，驅(qū)動與供電方面也有很大問題。方案二：采用雙環(huán)強磁空心杯電機，內(nèi)部使用強磁，轉(zhuǎn)速較高。風(fēng)力也足夠大，根本能到達(dá)要求。但是到題目發(fā)揮局部〔2〕時，面對外界風(fēng)力干擾時，由于本身重量較輕，極易受到外界干擾，而不容易保持原來狀態(tài)。另外，空心杯電機使用3.7V供電，供電電壓較低，單片機控制電機轉(zhuǎn)速時，空心杯的電壓線性度較小，而不易被精準(zhǔn)控制。方案三：采用無刷電機，風(fēng)力較大，重量適中，完全能到達(dá)題目運動狀態(tài)要求，速度控制準(zhǔn)確，但須配套電機調(diào)速器。綜合考慮，我們選擇方案三。1.2.2電機驅(qū)動的選擇由于上述電機選擇了無刷電機，此驅(qū)動只能選擇電機調(diào)速器。1.2.3擺桿與橫桿的連接選擇方案一：擺桿使用粗單股導(dǎo)線直接與橫桿連接，連接簡單且自由度較好，給風(fēng)機供電等方面都比擬容易，但是導(dǎo)線容易產(chǎn)生自旋，風(fēng)機固定困難也增大，增加了調(diào)試難度。方案二：擺桿使用硬質(zhì)鐵質(zhì)材料，通過萬向軸與橫桿相連。用此材料強度能夠到達(dá)要求，且風(fēng)機固定容易。硬件搭建合理，配重平衡的前提下，擺桿來回擺動不易發(fā)生偏移，可輕松解決根本要求〔1〕，減少了編寫代碼的工作量。綜上考慮，我們選擇方案二，節(jié)約時間。1.2.4擺桿與風(fēng)機的連接選擇方案一：擺桿與風(fēng)機之間使用一個直流電機或者舵機連接，這樣可以隨時改變風(fēng)機的方向，同時可減少風(fēng)機的數(shù)量，控制量減少。但是此方案連接構(gòu)造較為復(fù)雜，發(fā)揮局部圓周運動穩(wěn)定性不高。方案二：擺桿與風(fēng)機之間采用剛性連接，連接較為簡單，穩(wěn)定性能較好。綜上考慮，我們選擇方案二。系統(tǒng)理論分析與計算2.1風(fēng)力擺位置的計算與分析圖3擺桿擺動示意圖〔圖中紅色為MPU6050)通過加速度計陀螺儀模塊MPU6050檢測風(fēng)力擺擺桿的傾角數(shù)據(jù)。MPU6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計。可根據(jù)三角函數(shù)公式，可計算出此時擺桿距離中心位置的距離(見圖3〕。內(nèi)部有一個數(shù)字運動處理器DMP。MPU6050和所有設(shè)備存放器之間通信采用400Khz的I2C接口，實現(xiàn)高速通信。測試過程中，MPU6050與單片機之間進展圖3擺桿擺動示意圖〔圖中紅色為MPU6050)11MPU6050可測量出出θ1的角度由圖中可知所以θ1=θ2；所以θ1=θ2；根據(jù)三角函數(shù)式〔60cm<L<70cm)可求出擺桿偏移中心的距d。222.2風(fēng)力擺運動狀態(tài)的分析圖4擺桿角度姿態(tài)分析圖根本要求〔1〕中屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，激光筆繪制的軌跡超過50cm即可。我們可以設(shè)置擺桿傾角超過一個閾值θ，θ可通過擺動半徑R〔R>=25cm〕圖4擺桿角度姿態(tài)分析圖要繪制50cm直線，只需R>25cm〔R為地面運動軌跡的一半〕在平面內(nèi)運動即可則其中L為擺桿與激光頭的長度，a為激光頭到地面的距離〔a<=20cm〕根本要求〔2〕擺動幅度可控，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，公式計算與〔1〕一樣設(shè)置直線長度▽θ〔30cm<▽θ<60cm〕MPU6050將傾角，角速度送給單片機，單片機控制風(fēng)機來產(chǎn)生推力使擺桿擺動。2.3控制算法的分析切線方向系統(tǒng)采用PID算法來控制風(fēng)機轉(zhuǎn)動的速度，風(fēng)機開場工作后，MPU6050不斷采集當(dāng)前擺桿擺腳狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)進展比擬，使得擺桿運動狀態(tài)趨于穩(wěn)定。PID算法控制器由4個風(fēng)機速度分配比例P角度誤差積分I角度微分D組成。切線方向圖5圓周運動分析圖2其輸入e〔t〕與輸出U〔t)關(guān)系為：圖5圓周運動分析圖2徑向413o徑向413o他的傳遞函數(shù)為：在發(fā)揮局部〔1〕時，要求做圓周運動。四個直流風(fēng)機1、2、3、4,1和3用來使擺桿與重力方向呈現(xiàn)設(shè)置的夾角，2和4用來推動擺桿沿切線方向運動，這樣通過控制1、3電機的PID參數(shù)使擺桿到達(dá)設(shè)定的角度，通過2和4推動擺桿，擺桿就會沿切線運動，繪制圓形軌跡。三、電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計風(fēng)力擺控制系統(tǒng)總電路原理圖見附件1局部電路詳細(xì)原理圖圖7圖7電機驅(qū)動〔電機調(diào)速器〕圖6液晶顯示模塊圖10按鍵模式選擇圖10按鍵模式選擇圖8按鍵模式選擇圖8按鍵模式選擇局部圖9聲音提示局部3.1.3電源系統(tǒng)整體采用電腦電源供電，最大可輸出10A電流，無刷電機平均所需電流為2A，電源可滿足需求。12V供應(yīng)4個并聯(lián)電機驅(qū)動〔電調(diào)〕帶動風(fēng)機轉(zhuǎn)動，5V給單片機供電，單片機自帶穩(wěn)壓輸出3.3V給MPU6050供電，電機驅(qū)動本身也可穩(wěn)壓輸出5V，給激光頭〔5V)供電。此系統(tǒng)中所有電源共地。3.2程序的設(shè)計3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述系統(tǒng)采用獨立按鍵控制進展模式選擇，設(shè)置有7個按鍵，按鍵1~6分別代表4個根本要求和2個發(fā)揮局部。使用12864液晶做顯示模塊，系統(tǒng)開機后進入初始化狀態(tài)出現(xiàn)歡送界面，然后通過按鍵進展模式選擇，執(zhí)行不同的要求。2、程序設(shè)計思路根本要求〔1〕屬于全開環(huán)控制，通過粗略控制便可實現(xiàn)，設(shè)定傾角閾值，從低到高不斷增加*風(fēng)機轉(zhuǎn)速，直到傾角超過閾值，記錄此時PWM脈寬級作用時間。根本要求〔2〕需要采用閉環(huán)控制算法，計算公式與〔1〕一樣，設(shè)定好范圍后，可與〔1〕使用一樣的方法調(diào)試。根本要求〔3〕要采用受力分析，使用力的合成。根本要求〔4〕D，采用類似于自平衡的PD控制算法即可發(fā)揮局部(1)可以明確，徑向風(fēng)機控制采用PID控制算法，使擺桿穩(wěn)定在*一設(shè)定角度，切線方向控制2、4電機產(chǎn)生推力，推動擺桿圓周運動。則，很明顯，關(guān)鍵在于如何使擺桿穩(wěn)PID定值。發(fā)揮局部〔2〕局部〔1〕做得好，這一局部即可實現(xiàn)。發(fā)揮局部〔3)使用了指南針模塊，可以確定方向，無論將系統(tǒng)怎么放置，擺桿可始終指向一個指定的方向。3.2.2程序流程圖圖10程序流程圖圖10程序流程圖圖11程序流程圖2、PID算法框圖11程序流程圖圖11PID算法圖11PID算法框圖四、測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案驅(qū)動風(fēng)機帶動擺桿來回擺動，使激光頭在地面上打出一條大于50cm的直線。記錄由平衡位置到完成劃線要求時所用的時間以及最大偏差距離。重復(fù)6次，記錄在表1中。人為的設(shè)定激光頭劃線的長度，從30cm開場測量，記錄到達(dá)規(guī)定長度所用時間和最大誤差，測量3次，時間取平均值。然后依次記錄40cm、50cm、60cm的數(shù)據(jù)，記錄在表2中。人為的設(shè)定激光頭劃線的方向，使激光頭在地面上打出一條大于20cm的直線。從0°直線開場。記錄到達(dá)規(guī)定長度所用時間和最大誤差，測量3次，時間取平均值。然后依次測量90°、180°、270°、360°直線，記錄在表3中。將擺桿拉倒一定的角度然后放下，驅(qū)動風(fēng)機，記錄擺桿恢復(fù)到中心位置所用時間，記錄在表4。以擺桿靜止時的位置為圓心，設(shè)置畫圓半徑，記錄激光頭劃線旋轉(zhuǎn)3周后所用時間，以及偏差的最大距離，重復(fù)3次。然后改變半徑長度，在一次測量，記錄在表5中。參加外界臺扇干擾后，依次測量記錄恢復(fù)到〔5〕狀態(tài)所用時間，記錄在表5中。4.2測試條件與儀器秒表、自制角度測量板、量角器、直尺、示波器、信號源〔由于使用無刷電機，使用電調(diào)準(zhǔn)確控制速度需要信號源產(chǎn)生、示波器測量PWM波的頻率、占空比等〕4.3測試結(jié)果及分析〔1〕測試結(jié)果表1風(fēng)力擺畫長于50cm直線測試第一次測試第二次測試第三次測試第四次測試第五次測試第六次測試時間/S171614131010誤差/cm4.53.82.22.12.32.2表2風(fēng)力擺畫不同長度直線測試30cm直線40cm直線50cm直線畫60cm直線平均時間(s)66.5810.5誤差11.11.22.61.4誤差20.91.01.12.5誤差31.31.30.81.6表3風(fēng)力擺畫不同角度直線測試0°直線90°直線180°直線270°直線360°直線平均時間(s)7.06.57.77.510.0誤差12.01.81.02.11.8誤差21.61.51.91.61.6誤差32.21.11.31.41.2表4風(fēng)力擺恢復(fù)靜止測試時間〔1〕時間〔2〕時間〔3〕時間〔4〕時間〔5〕拉起30°2.22.52.13.02.4拉起35°2.93.73.33.72.9拉起40°3.33.22.93.13.3拉起45°3.65.13.83.65.5表5風(fēng)力擺畫圓測試半徑15cm半徑20cm半徑25cm半徑30cm半徑35cm時間〔1〕26202224201.92.21.31.62.032233時間〔2〕22181419251.11.02.23.02