風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方案分析

2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（瑞薩杯）風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】2015年8月15日摘要本文論述了風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方案分析。本系統(tǒng)采用MC9S12XS128作為風(fēng)力擺控制系統(tǒng)主控，MPU6050作為風(fēng)力擺角度傳感器。MPU6050返回的信號(hào)經(jīng)由IIC總線發(fā)送到MPU進(jìn)行處理，通過PID算法、數(shù)據(jù)融合、互補(bǔ)濾波等算法進(jìn)行角度的精準(zhǔn)控制。角度返回值由算法整合處理后，以PWM信號(hào)輸出，通過BTS7971驅(qū)動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)，進(jìn)而控制軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)速控制風(fēng)力擺的擺動(dòng)。關(guān)鍵詞風(fēng)力擺；控制；MC9S12XS128；MPU6050；PWM；BTS7971目錄摘要I1系統(tǒng)方案111風(fēng)力擺擺動(dòng)方案的論證與選擇112軸流風(fēng)機(jī)選擇方案的論證與選擇113軸流風(fēng)機(jī)安裝方案的論證與選擇12系統(tǒng)理論分析與計(jì)算121系統(tǒng)總體的分析1212風(fēng)力擺按固定方向擺動(dòng)分析2213風(fēng)力擺快速保持靜止分析2214風(fēng)力擺發(fā)揮部分分析222控制算法的計(jì)算3221PWM值的計(jì)算33電路與程序設(shè)計(jì)431電路的設(shè)計(jì)4311系統(tǒng)總體框圖4312電路原理圖4313角度采集電路432程序的設(shè)計(jì)4321程序功能描述與設(shè)計(jì)思路4322程序流程圖54測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果541測(cè)試方案542測(cè)試條件與儀器543測(cè)試結(jié)果5431測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)5附錄1電路原理圖7附錄2電路圖8附錄3源程序91系統(tǒng)方案11風(fēng)力擺擺動(dòng)方案的論證與選擇方案一選取大功率軸流風(fēng)機(jī)，可在短時(shí)間內(nèi)移動(dòng)到平面內(nèi)任意一點(diǎn)，但是風(fēng)力太大導(dǎo)致擺動(dòng)過大，不好控制。方案二選取小功率軸流風(fēng)機(jī)，可以在短時(shí)間內(nèi)吹到一定的角度，風(fēng)力適中，擺動(dòng)較小，容易控制。綜上所述，考慮到控制的方便及易操控性，選擇方案二。12軸流風(fēng)機(jī)選擇方案的論證與選擇方案一DC12V，17A小型軸流風(fēng)機(jī)。軸流風(fēng)機(jī)加額定電壓，有5度的偏角，三次加速擺動(dòng)后可以達(dá)到題目要求。方案二直流電機(jī)加扇葉改裝。風(fēng)力較大，移動(dòng)速度快，可達(dá)30度偏角，但轉(zhuǎn)速太快，重心不穩(wěn)定且有一定安全風(fēng)險(xiǎn)，不適合風(fēng)力擺。綜合以上兩種方案，選擇方案二。13軸流風(fēng)機(jī)安裝方案的論證與選擇方案一用粗單股導(dǎo)線將風(fēng)力擺吊掛在支架上。軸流風(fēng)機(jī)組由四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)組成，軸流風(fēng)機(jī)間互成90度。相對(duì)于三個(gè)軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)力擺，風(fēng)力擺自身重量增加，但擺動(dòng)幅度能達(dá)到要求。此方案缺點(diǎn)在于在控制過程中，軸流風(fēng)機(jī)組會(huì)旋轉(zhuǎn)，總而對(duì)控制產(chǎn)生干擾，難以完成題目要求。方案二用碳素纖維桿連接萬向節(jié)固定在一支架上。軸流風(fēng)機(jī)組由四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)組成，軸流風(fēng)機(jī)間互成90度。與方案二不同點(diǎn)在于使用了硬質(zhì)桿連接軸流風(fēng)機(jī)組，解決了軸流風(fēng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)的問題。綜合以上兩種方案，選擇方案二。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算21系統(tǒng)總體的分析211風(fēng)力擺畫直線段的受力分析通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的力的大小，來調(diào)節(jié)風(fēng)力擺所受合力大小，即風(fēng)力擺的回復(fù)力大小。212風(fēng)力擺按固定方向擺動(dòng)分析X軸畫直線方案當(dāng)風(fēng)力擺按照預(yù)設(shè)的高度做X軸上的穩(wěn)定直線擺動(dòng)時(shí)，他的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型是單擺運(yùn)動(dòng)?？紤]到風(fēng)力擺從靜止達(dá)到穩(wěn)定的X軸擺動(dòng)時(shí)，Y軸的分量為零，所以垂直于X軸的Y軸對(duì)他的控制施加為零即可，控制過程轉(zhuǎn)化為主要的X軸的控制。對(duì)于理想的單擺運(yùn)動(dòng)擺在兩端達(dá)到的高度是不變的，就是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，這是系統(tǒng)的機(jī)械能恒定不變公式1。由于空氣阻力靜摩擦力等阻尼會(huì)使系統(tǒng)能量漸漸減小到零，趨于靜止。據(jù)此可以通過增加或減小系統(tǒng)機(jī)械能和補(bǔ)償系統(tǒng)阻尼損失的能量來控制系統(tǒng)。1EPK由1式得2LCOSMGV21EX轉(zhuǎn)化為3SYWE上式中X是對(duì)X軸的偏角等于Z軸偏角，Y是Y軸的角速度等于X的微分，M,G,L為固定的數(shù)字，W相當(dāng)于對(duì)E做線性變換。通過設(shè)定WSET值與實(shí)時(shí)計(jì)算的WGET，使用PI控制可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺的穩(wěn)定沿著X軸畫直線。213風(fēng)力擺快速保持靜止分析任意角度的劃線方案當(dāng)設(shè)定角度為時(shí)可以通過坐標(biāo)系變換將任意角度畫直線轉(zhuǎn)化為X軸換線來解決。當(dāng)風(fēng)力擺沿著軸劃線時(shí)，新建XOY坐標(biāo)系是由XOY旋轉(zhuǎn)。這是對(duì)于XOY風(fēng)力擺是沿著X軸單擺，通過上一種方案計(jì)算出控制量在逆變換到XOY系控制四路電機(jī)來實(shí)現(xiàn)任意角度的單擺畫出直線。XOY坐標(biāo)系到XOY系的轉(zhuǎn)化SINCOYX4SIYXOY坐標(biāo)系到XOY系的轉(zhuǎn)化SINCOYX5SIY214風(fēng)力擺發(fā)揮部分分析畫圓方案類比衛(wèi)星的發(fā)射與變軌，考慮出一套控制方案。類比衛(wèi)星的發(fā)射與變軌，我們組考慮出一套控制方案。圓運(yùn)動(dòng)是兩維的單擺運(yùn)動(dòng)，同樣外界阻尼會(huì)使不加控制的運(yùn)動(dòng)能量發(fā)散趨于穩(wěn)定，我們還可以控制他的恒定能量來實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)固定系統(tǒng)中，機(jī)械能與角速度的模值，線速度的模值，Z軸偏角有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。控制思路是計(jì)算擺的Z軸偏角來獲取圓的半徑大小，X,Y軸偏角計(jì)算線速度的方向向量。最后由設(shè)定半徑與反饋半徑的PI控制來求出擺的切向加減速，這個(gè)控制量要對(duì)線速度的方向逆變換，分解到X,Y軸的四路電機(jī)上實(shí)現(xiàn)。22控制算法的計(jì)算221PWM值的計(jì)算PID是一個(gè)閉環(huán)控制算法，因此要實(shí)現(xiàn)PID算法，必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是有反饋。PID控制算法中微分作用是控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著效果，在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差，因此PID控制算法適用于控制質(zhì)量要求很高的控制系統(tǒng)。改變加到直流電機(jī)電樞兩端的直流驅(qū)動(dòng)電壓，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變?cè)擈?qū)動(dòng)電壓的極性，即可改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。使用PWM（脈寬調(diào)制）方法，可以方便地改變加給電機(jī)電樞的平均電壓的大小。改變控制信號(hào)的占空比就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體分析如下ONEAGLNLESTERO_（1）其中ERROR為擺桿的角度差，SET_ANGLE對(duì)應(yīng)擺桿平衡時(shí)的角度值，ANGLE_ONE對(duì)應(yīng)擺桿當(dāng)前的角度值。ERKPU（2）其中KP為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，通過公式可以看出增大KP可知角度差的作用加強(qiáng)，可加強(qiáng)系統(tǒng)的強(qiáng)硬速度，使擺桿迅速達(dá)到直立的狀態(tài)。OLDANGLE_LOD（3）其中ANGLE_ONE_OLD對(duì)應(yīng)擺桿上一次采集到的角度值。KD為微分調(diào)節(jié)系數(shù)，ANGLE_ONEANGLE_ONE_OLD對(duì)應(yīng)角度的變化值，因此可知，調(diào)節(jié)KD可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。UDPWM（4）把PWM的值給電機(jī)即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使擺桿的角度改變，最終實(shí)現(xiàn)擺桿的穩(wěn)定。3電路與程序設(shè)計(jì)31電路的設(shè)計(jì)311系統(tǒng)總體框圖圖311系統(tǒng)總體框圖312電路原理圖見附錄圖2圖312。313角度采集電路見附錄圖2圖313。32程序的設(shè)計(jì)321程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述程序通過讀取MPU6050回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行當(dāng)前角度計(jì)算，從而控制電機(jī)修正風(fēng)力擺姿態(tài)與速度，可通過按鍵選擇擺動(dòng)模式，并由12864液晶顯示當(dāng)前各軸角度、加速度和當(dāng)前模式。當(dāng)MC9S12XS128檢測(cè)到風(fēng)力擺達(dá)到目標(biāo)姿態(tài)時(shí)控制蜂鳴器報(bào)警。2、程序設(shè)計(jì)思路先在主函數(shù)中進(jìn)行初始化，初始化后進(jìn)入循環(huán)不斷顯示各項(xiàng)參數(shù)。設(shè)置兩個(gè)定時(shí)中斷，在定時(shí)中斷1的中斷函數(shù)中通過I2C協(xié)議讀取MPU6050采集數(shù)據(jù)將得到數(shù)據(jù)進(jìn)行異常判斷后用融合算法進(jìn)行計(jì)算得到各軸參數(shù)。在定時(shí)中斷2的中斷函數(shù)中對(duì)采集的數(shù)據(jù)與期望的參數(shù)對(duì)比通過PI算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制從而使風(fēng)力擺做預(yù)期動(dòng)作。322程序流程圖主程序流程圖如圖314圖314主程序流程圖4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果41測(cè)試方案1、硬件測(cè)試根據(jù)電路圖，先進(jìn)行硬件仿真，然后焊接系統(tǒng)各子系統(tǒng)，多次檢驗(yàn)后，上電進(jìn)行各系統(tǒng)的測(cè)試。多次測(cè)試并記錄數(shù)值，通過數(shù)值返回，判斷各子系統(tǒng)是否工作正常。2、軟件仿真測(cè)試通過編譯軟件及多種輔助工具進(jìn)行在線仿真測(cè)試。在軟件仿真過程中，保證系統(tǒng)板工作正常，測(cè)試并記錄各參數(shù)返回值，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷程序的可靠性及穩(wěn)定性。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)將各系統(tǒng)整合形成完整的系統(tǒng)，多次檢測(cè)確認(rèn)無誤后，先上電測(cè)試整體系統(tǒng)工作是否正常。確保硬件系統(tǒng)正常工作后，通過軟件仿真測(cè)試并記錄返回?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷系統(tǒng)是否工作正常。42測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件多次檢查，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，檢查無誤后，上電進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀器高精度的數(shù)字毫伏表，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表。43測(cè)試結(jié)果431測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表41擺桿畫出直線段（大于50CM）測(cè)試次數(shù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間/S直線段長(zhǎng)度/CM116722146831270表42擺桿畫出可設(shè)置長(zhǎng)度直線（3060CM）預(yù)設(shè)直線長(zhǎng)度/CM運(yùn)動(dòng)時(shí)間/S實(shí)際得到長(zhǎng)度/CM長(zhǎng)度偏差/CM358372458432557594表43按設(shè)定方向擺動(dòng)畫出直線段（大于20CM）表44風(fēng)力擺拉起固定后角度自動(dòng)靜止（3045）表45驅(qū)動(dòng)擺桿做3次圓周運(yùn)動(dòng)（15CMFILTER_NUMWFILTER_CNT0LINEERROR_DOTLINEERRORLINEE