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(kāi)發(fā)板作為控制中心，與萬(wàn)向節(jié)、擺桿、直流風(fēng)機(jī)〔無(wú)刷電機(jī)+扇葉〕、激光頭、反應(yīng)裝置一起構(gòu)成擺桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與風(fēng)機(jī)速度分配的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。單片機(jī)輸出可變的PWM波給電機(jī)調(diào)速器，控制4個(gè)方向上風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，從而產(chǎn)生大小不同的力。利用加速度計(jì)模塊MPU6050，準(zhǔn)確測(cè)出擺桿移動(dòng)的位置與中心點(diǎn)位置之間的關(guān)系，采樣后反應(yīng)給單片機(jī)，使風(fēng)機(jī)及時(shí)矯正，防止脫離運(yùn)動(dòng)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。控制方式采用PID算法，比例環(huán)節(jié)進(jìn)展快速響應(yīng)，積分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，微分環(huán)節(jié)減小超調(diào)，加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從而使該系統(tǒng)具有良好的性能，能很好地實(shí)現(xiàn)自由擺運(yùn)動(dòng)、快速制動(dòng)靜止、畫(huà)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(jī)、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(jì)11.1.2機(jī)械構(gòu)造方案設(shè)計(jì)11.2各局部方案選擇與論證2電機(jī)選擇21.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)的連接選擇3二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算32.1風(fēng)力擺位置的計(jì)算與分析32.2風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)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(jì)43.1電路的設(shè)計(jì)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(jiàn)附件14電源53.2程序的設(shè)計(jì)5程序功能描述與設(shè)計(jì)思路5程序流程圖6四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果64.1測(cè)試方案64.2測(cè)試條件與儀器74.3測(cè)試結(jié)果及分析7〔1〕測(cè)試結(jié)果7〔2〕測(cè)試分析與結(jié)論8五、結(jié)論與心得8六、參考文獻(xiàn)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(jì)為了實(shí)現(xiàn)題目要求我們采用STM32F103V單片機(jī)做為主控芯片，用加速度計(jì)陀螺儀模塊MPU6050來(lái)計(jì)算角度和風(fēng)機(jī)狀態(tài)，用直流風(fēng)機(jī)帶動(dòng)擺桿運(yùn)動(dòng)。當(dāng)MPU6050檢測(cè)到擺桿的角度時(shí)，可根據(jù)三角函數(shù)公式計(jì)算出擺桿現(xiàn)在距離中心的具體位置〔方向、距離〕，單片時(shí)機(jī)控制PWM波的輸出大小來(lái)控制風(fēng)機(jī)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(yùn)動(dòng)。當(dāng)擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)時(shí)，給四個(gè)風(fēng)機(jī)同時(shí)上電且風(fēng)向都向外，此時(shí)擺桿仍處于受力平衡——靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)降低*軸上一個(gè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，擺桿將會(huì)帶動(dòng)激光頭在*軸上畫(huà)一條直線，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的傾斜角度時(shí)，單片機(jī)可根據(jù)角度計(jì)算出此時(shí)距離中心的距離是否>=25cm，假設(shè)到達(dá)要求后，此風(fēng)機(jī)減速，*軸反方向上電機(jī)逐漸加速，恢復(fù)到初始速度，反方向做一樣的運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程中，單片機(jī)做出A/D采樣，Y軸方向方向風(fēng)機(jī)隨時(shí)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(jī)械構(gòu)造方案設(shè)計(jì)由于擺桿長(zhǎng)度〔60cm~70cm〕較長(zhǎng)，且要求激光頭在地面畫(huà)出15cm~35cm的圓，所以要求橫桿的距離要足夠長(zhǎng)。橫桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)加之?dāng)[桿重量較大，所以要求底座要有足夠的重量來(lái)支撐整個(gè)系統(tǒng)。如果構(gòu)造不穩(wěn)或者重量不夠，擺桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生傾倒或者抖動(dòng)等現(xiàn)象，影響測(cè)試結(jié)果。于是，底座采用了"工〞型構(gòu)造，保證了整個(gè)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(jī)進(jìn)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(jī)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(yùn)動(dòng)、快速制動(dòng)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?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)發(fā)揮局部〔2〕時(shí)，受到外界干擾，不容易改變?cè)瓉?lái)的圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài)機(jī)械構(gòu)造如圖2圖圖2機(jī)械構(gòu)造圖底座；2.豎桿；3.橫桿；4.螺栓；5.萬(wàn)向節(jié)；6.擺桿；7.風(fēng)機(jī)〔1〕；8.風(fēng)機(jī)〔2〕；9.風(fēng)機(jī)〔3〕；10.風(fēng)機(jī)〔4〕1.2各局部方案選擇與論證1.2.1電機(jī)選擇方案一：采用小型軸流風(fēng)機(jī)〔大功率〕，使用雙滾珠軸承，采用滾動(dòng)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(dòng)時(shí)，鋼珠即跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)槎际乔蝮w，摩擦力較小，所以轉(zhuǎn)速較高。能到達(dá)8000RMP，同時(shí)產(chǎn)生較大的風(fēng)力。風(fēng)機(jī)內(nèi)力矩較大，是因?yàn)闄C(jī)內(nèi)繞了大量的銅線，導(dǎo)致重量較大，當(dāng)4個(gè)風(fēng)機(jī)固定到一起時(shí)，重量更大，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)困難加大，更難做到題目中按要求運(yùn)動(dòng)。另一方面，此風(fēng)機(jī)功率較大，所需電流較大，驅(qū)動(dòng)與供電方面也有很大問(wèn)題。方案二：采用雙環(huán)強(qiáng)磁空心杯電機(jī)，內(nèi)部使用強(qiáng)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(shí)，面對(duì)外界風(fēng)力干擾時(shí)，由于本身重量較輕，極易受到外界干擾，而不容易保持原來(lái)狀態(tài)。另外，空心杯電機(jī)使用3.7V供電，供電電壓較低，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，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(wú)刷電機(jī)，風(fēng)力較大，重量適中，完全能到達(dá)題目運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要求，速度控制準(zhǔn)確，但須配套電機(jī)調(diào)速器。綜合考慮，我們選擇方案三。1.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇由于上述電機(jī)選擇了無(wú)刷電機(jī)，此驅(qū)動(dòng)只能選擇電機(jī)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(jiǎn)單且自由度較好，給風(fēng)機(jī)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(jī)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(guò)萬(wàn)向軸與橫桿相連。用此材料強(qiáng)度能夠到達(dá)要求，且風(fēng)機(jī)固定容易。硬件搭建合理，配重平衡的前提下，擺桿來(lái)回?cái)[動(dòng)不易發(fā)生偏移，可輕松解決根本要求〔1〕，減少了編寫(xiě)代碼的工作量。綜上考慮，我們選擇方案二，節(jié)約時(shí)間。1.2.4擺桿與風(fēng)機(jī)的連接選擇方案一：擺桿與風(fēng)機(jī)之間使用一個(gè)直流電機(jī)或者舵機(jī)連接，這樣可以隨時(shí)改變風(fēng)機(jī)的方向，同時(shí)可減少風(fēng)機(jī)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(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性不高。方案二：擺桿與風(fēng)機(jī)之間采用剛性連接，連接較為簡(jiǎn)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(jì)算2.1風(fēng)力擺位置的計(jì)算與分析圖3擺桿擺動(dòng)示意圖〔圖中紅色為MPU6050)通過(guò)加速度計(jì)陀螺儀模塊MPU6050檢測(cè)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(jì)?？筛鶕?jù)三角函數(shù)公式，可計(jì)算出此時(shí)擺桿距離中心位置的距離(見(jiàn)圖3〕。內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)高速通信。測(cè)試過(guò)程中，MPU6050與單片機(jī)之間進(jìn)展圖3擺桿擺動(dòng)示意圖〔圖中紅色為MPU6050)11MPU6050可測(cè)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(yùn)動(dòng)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，激光筆繪制的軌跡超過(guò)50cm即可。我們可以設(shè)置擺桿傾角超過(guò)一個(gè)閾值θ，θ可通過(guò)擺動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡的一半〕在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)即可則其中L為擺桿與激光頭的長(zhǎng)度，a為激光頭到地面的距離〔a<=20cm〕根本要求〔2〕擺動(dòng)幅度可控，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，公式計(jì)算與〔1〕一樣設(shè)置直線長(zhǎng)度▽?duì)取?0cm<▽?duì)?lt;60cm〕MPU6050將傾角，角速度送給單片機(jī)，單片機(jī)控制風(fēng)機(jī)來(lái)產(chǎn)生推力使擺桿擺動(dòng)。2.3控制算法的分析切線方向系統(tǒng)采用PID算法來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，風(fēng)機(jī)開(kāi)場(chǎng)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(jìn)展比擬，使得擺桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。PID算法控制器由4個(gè)風(fēng)機(jī)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(yùn)動(dòng)分析圖2其輸入e〔t〕與輸出U〔t)關(guān)系為：圖5圓周運(yùn)動(dòng)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(shí)，要求做圓周運(yùn)動(dòng)。四個(gè)直流風(fēng)機(jī)1、2、3、4,1和3用來(lái)使擺桿與重力方向呈現(xiàn)設(shè)置的夾角，2和4用來(lái)推動(dòng)擺桿沿切線方向運(yùn)動(dòng)，這樣通過(guò)控制1、3電機(jī)的PID參數(shù)使擺桿到達(dá)設(shè)定的角度，通過(guò)2和4推動(dòng)擺桿，擺桿就會(huì)沿切線運(yùn)動(dòng)，繪制圓形軌跡。三、電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)風(fēng)力擺控制系統(tǒng)總電路原理圖見(jiàn)附件1局部電路詳細(xì)原理圖圖7圖7電機(jī)驅(qū)動(dòng)〔電機(jī)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(wú)刷電機(jī)平均所需電流為2A，電源可滿足需求。12V供應(yīng)4個(gè)并聯(lián)電機(jī)驅(qū)動(dòng)〔電調(diào)〕帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，5V給單片機(jī)供電，單片機(jī)自帶穩(wěn)壓輸出3.3V給MPU6050供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述系統(tǒng)采用獨(dú)立按鍵控制進(jìn)展模式選擇，設(shè)置有7個(gè)按鍵，按鍵1~6分別代表4個(gè)根本要求和2個(gè)發(fā)揮局部。使用12864液晶做顯示模塊，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后進(jìn)入初始化狀態(tài)出現(xiàn)歡送界面，然后通過(guò)按鍵進(jìn)展模式選擇，執(zhí)行不同的要求。2、程序設(shè)計(jì)思路根本要求〔1〕屬于全開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)粗略控制便可實(shí)現(xiàn)，設(shè)定傾角閾值，從低到高不斷增加*風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，直到傾角超過(guò)閾值，記錄此時(shí)PWM脈寬級(jí)作用時(shí)間。根本要求〔2〕需要采用閉環(huán)控制算法，計(jì)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(lèi)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(jī)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(jī)產(chǎn)生推力，推動(dòng)擺桿圓周運(yùn)動(dòng)。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(shí)現(xiàn)。發(fā)揮局部〔3)使用了指南針模塊，可以確定方向，無(wú)論將系統(tǒng)怎么放置，擺桿可始終指向一個(gè)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(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)帶動(dòng)擺桿來(lái)回?cái)[動(dòng)，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(shí)所用的時(shí)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(zhǎng)度，從30cm開(kāi)場(chǎng)測(cè)量，記錄到達(dá)規(guī)定長(zhǎng)度所用時(shí)間和最大誤差，測(cè)量3次，時(shí)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(kāi)場(chǎng)。記錄到達(dá)規(guī)定長(zhǎng)度所用時(shí)間和最大誤差，測(cè)量3次，時(shí)間取平均值。然后依次測(cè)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(dòng)風(fēng)機(jī)，記錄擺桿恢復(fù)到中心位置所用時(shí)間，記錄在表4。以擺桿靜止時(shí)的位置為圓心，設(shè)置畫(huà)圓半徑，記錄激光頭劃線旋轉(zhuǎn)3周后所用時(shí)間，以及偏差的最大距離，重復(fù)3次。然后改變半徑長(zhǎng)度，在一次測(cè)量，記錄在表5中。參加外界臺(tái)扇干擾后，依次測(cè)量記錄恢復(fù)到〔5〕狀態(tài)所用時(shí)間，記錄在表5中。4.2測(cè)試條件與儀器秒表、自制角度測(cè)量板、量角器、直尺、示波器、信號(hào)源〔由于使用無(wú)刷電機(jī)，使用電調(diào)準(zhǔn)確控制速度需要信號(hào)源產(chǎn)生、示波器測(cè)量PWM波的頻率、占空比等〕4.3測(cè)試結(jié)果及分析〔1〕測(cè)試結(jié)果表1風(fēng)力擺畫(huà)長(zhǎng)于50cm直線測(cè)試第一次測(cè)試第二次測(cè)試第三次測(cè)試第四次測(cè)試第五次測(cè)試第六次測(cè)試時(shí)間/S171614131010誤差/cm4.53.82.22.12.32.2表2風(fēng)力擺畫(huà)不同長(zhǎng)度直線測(cè)試30cm直線40cm直線50cm直線畫(huà)60cm直線平均時(shí)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(huà)不同角度直線測(cè)試0°直線90°直線180°直線270°直線360°直線平均時(shí)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(cè)試時(shí)間〔1〕時(shí)間〔2〕時(shí)間〔3〕時(shí)間〔4〕時(shí)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(huà)圓測(cè)試半徑15cm半徑20cm半徑25cm半徑30cm半徑35cm時(shí)間〔1〕26202224201.92.21.31.62.032233時(shí)間〔2〕22181419251.11.02.23.02