風(fēng)力擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)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(jī)為控制核心，采用MOS管電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)加速度陀螺儀MPU-6050來(lái)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(cè)試模式，主控單元STM32F103C8單片機(jī)處理采集到的信號(hào)并給定PWM控制直流風(fēng)機(jī)。該系統(tǒng)硬件部分主要由電源模塊、單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yùn)用STM32F103C8單片機(jī)控制直流風(fēng)機(jī)組，根據(jù)風(fēng)力擺的狀態(tài)，通過(guò)程序控制PID算法，使直流風(fēng)機(jī)組帶動(dòng)整個(gè)風(fēng)力擺裝置的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)并保持一定平衡，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)直流風(fēng)機(jī)組控制風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)、畫(huà)線、畫(huà)圓

2、及靜止等的功能。關(guān)鍵詞：STM32F103C8單片機(jī)；MPU-6050；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；PID算法2015年8月15日91. 系統(tǒng)方案論證1.1 單片機(jī)控制模塊的論證與選擇方案一：采用51單片機(jī)，價(jià)格低廉，應(yīng)用普遍，操作簡(jiǎn)單，控制能力強(qiáng)。但是外設(shè)端口較少， 片內(nèi)資源少，運(yùn)行速度很慢，需要外圍元件多。方案二：采用PLC單片機(jī)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，但體系結(jié)構(gòu)封閉，不兼容。方案三：采用STM32單片機(jī)，其程序都是模塊化的，接口相對(duì)簡(jiǎn)單，而且自身帶有好多功能，工作速度快，且性價(jià)比較高。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇方案一：采用繼電器對(duì)電機(jī)開(kāi)關(guān)進(jìn)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(shí)間慢，易損壞，可靠性不高。方案二：采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，輸入端與單片機(jī)直接相連，便于控制。但驅(qū)動(dòng)電流小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)大功率的風(fēng)機(jī)，且壓降大、易發(fā)熱，影響驅(qū)動(dòng)性能。方案三：采用場(chǎng)效應(yīng)管IRFD120組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)能力好，易于調(diào)速、過(guò)載能力大、開(kāi)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(jī)，將朝著四個(gè)方向的風(fēng)機(jī)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(jìn)風(fēng)，且因?yàn)殡娏鞔?，帶?dòng)慢，耗時(shí)。 方案二：選用12V，1.2A的風(fēng)機(jī)，用一塊板子將四個(gè)風(fēng)機(jī)分為兩層，相對(duì)擺放。小巧輕便，風(fēng)扇擺放未環(huán)閉，風(fēng)力

4、較好，且動(dòng)力較足。綜合以上兩種方案，選擇方案二。1.4 角度檢測(cè)模塊的論證與選擇方案一：采用光電編碼器可以直接測(cè)出風(fēng)力擺角度，但是體積大、精度低、僅能測(cè)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(guò)處理后可檢測(cè)到擺桿的旋轉(zhuǎn)角度及其加速度，以便對(duì)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(duì)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(biāo)函數(shù)為對(duì)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(jìn)行運(yùn)算，將風(fēng)力擺對(duì)應(yīng)狀態(tài)的角度加入PID算法后通過(guò)PWM控制直流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與速度。控制精度高,且算法簡(jiǎn)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(jì)算2.1 風(fēng)力擺狀態(tài)檢測(cè)由于對(duì)旋轉(zhuǎn)及運(yùn)動(dòng)要求的限制，通過(guò)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(guò)PID算法調(diào)節(jié)直流風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)效果。假如當(dāng)風(fēng)力擺在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，然后啟動(dòng)往左的直流風(fēng)機(jī)（采用PD算法，當(dāng)偏離平衡角度越大，則PD反饋

6、給風(fēng)機(jī)占空比的值就越大），MPU-6050檢測(cè)出當(dāng)前的角度，再通過(guò)PID算法給芯片，使風(fēng)力擺桿保持向左運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。2.2 驅(qū)動(dòng)與控制算法風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程，旋轉(zhuǎn)的變化也是一個(gè)連續(xù)漸變的過(guò)程。本設(shè)計(jì)中STM32F103C8單片機(jī)通過(guò)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(jìn)而控制直流風(fēng)機(jī)組的方向及速度變換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)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(lái)控制直流風(fēng)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)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(shí)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(guò)大會(huì)使風(fēng)力擺系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)或振蕩現(xiàn)象，Kp過(guò)小又起不到調(diào)節(jié)作用，比例控制無(wú)法消除余差。2）積分環(huán)節(jié)I 主要用于消除余差，強(qiáng)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(hào)的變化趨勢(shì)，在偏差信號(hào)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(dòng)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(shí)，只需L2大于25cm，或者要求實(shí)現(xiàn)任意設(shè)置的線段長(zhǎng)度時(shí)，只需實(shí)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(dòng)，控制一個(gè)軸向的直流風(fēng)機(jī)，再根據(jù)距離計(jì)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(shí)現(xiàn)。其中L1為風(fēng)力擺擺桿長(zhǎng)度，L2為橫向一邊擺動(dòng)的長(zhǎng)度。而當(dāng)要求完成特定擺動(dòng)方向時(shí)，則需同時(shí)控制X軸和Y軸方向的直流風(fēng)機(jī)，若與X軸夾角為，則需要兩個(gè)軸線上的直流風(fēng)機(jī)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(jī)在Y軸方向上的合力，F(xiàn)2為兩直流風(fēng)機(jī)在X軸方向上的合力。圖 3圓周運(yùn)動(dòng)原理圖

9、要求風(fēng)力擺做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jī)的PID參數(shù)使擺桿穩(wěn)定至相應(yīng)的角度，再通過(guò)Y軸方向的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生推力使其沿圓切線方向運(yùn)動(dòng)，從而繪制出圓形軌跡。3. 電路與程序設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體框圖 整體系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、STM32F103C8單片機(jī)最小系統(tǒng)板、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì) 3.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖與電路原理圖本設(shè)計(jì)采用了STM32F103C8單片機(jī)，資源豐富，能使PWM信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的變化，從而提高直流風(fēng)機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)鍵盤的鍵位，控制功能模式切換。圖 5單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖3.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖本模塊采用了IRFD120場(chǎng)效應(yīng)管電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，且加入光耦TLP5H避免電機(jī)對(duì)單片機(jī)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(dòng)直流風(fēng)機(jī)進(jìn)行旋動(dòng)。圖 6電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec (dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作。主要作用是：通過(guò)處理檢測(cè)風(fēng)力擺的旋轉(zhuǎn)角度并將數(shù)

11、據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。圖 7 MPU-6050電路原理圖3.2.4 按鍵模塊原理圖按鍵的一端接單片機(jī)的I/O口，通過(guò)按鍵的掃描，對(duì)不同按鍵賦予功能，并通過(guò)按鍵來(lái)進(jìn)行對(duì)單片機(jī)操作的選擇。圖 8按鍵模塊電路圖3.3 程序的設(shè)計(jì)3.3.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1程序功能描述 1）可以實(shí)現(xiàn)特定長(zhǎng)度的距離移動(dòng) 2）可以實(shí)現(xiàn)特定方向即角度的移動(dòng) 3）可以實(shí)現(xiàn)特定時(shí)間特定圓周的移動(dòng)根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)鍵盤的模式切換。 2. 程序設(shè)計(jì)思路 首先對(duì)I/O、按鍵等初始化，讀取按鍵的值送入單片機(jī)中，進(jìn)行模式切換，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，連續(xù)讀取MPU-6050陀螺儀檢測(cè)風(fēng)力擺的位置狀態(tài)數(shù)據(jù)，檢測(cè)風(fēng)力

12、擺是否達(dá)到要求狀態(tài)，若達(dá)到則結(jié)束。3.3.2 程序流程圖圖 9程序流程圖4. 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1 測(cè)試方案根據(jù)方案設(shè)計(jì)的要求，調(diào)試過(guò)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(cè)試 首先電路按模塊調(diào)試，各模塊搭建硬件電路并分別測(cè)試成功，然后將分立的模塊搭建在一起測(cè)試整體功能。經(jīng)測(cè)試，我們的單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、按鍵模塊均工作正常。 2、軟件仿真測(cè)試 軟件測(cè)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(cè)試，通過(guò)串口將程序下載至單片機(jī)中，打開(kāi)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)結(jié)果正常。4.2 測(cè)試條件與儀器1.條件：多次檢測(cè)，仿真電

13、路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖相同，且檢查無(wú)誤，硬件電路保障無(wú)虛焊。2.儀器：UNI-T UT33D 數(shù)字萬(wàn)用表、秒表、穩(wěn)壓電源、米尺、自制方向角度圖紙3指標(biāo)：1）風(fēng)力擺擺動(dòng)直線距離2）風(fēng)力擺擺動(dòng)角度3）風(fēng)力擺完成圓周情況4.3 測(cè)試結(jié)果與分析 1. 驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫(huà)出一條長(zhǎng)度不短于50cm 的直線段，來(lái)回多次，記錄其由靜止至開(kāi)始擺動(dòng)時(shí)間以及偏移量如下表1：測(cè)試次數(shù)/次12345時(shí)間/S1614151613最大偏差量/cm2.82.32.62.82.1表 1畫(huà)長(zhǎng)于50cm直線測(cè)試2.驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺按設(shè)置由靜止開(kāi)始擺動(dòng)特定長(zhǎng)度的直線段，多次測(cè)量記錄其由靜止開(kāi)始擺動(dòng)的時(shí)間以及偏移量

14、如下表2：特定長(zhǎng)度/cm3040506070最大偏差量/cm2.32.62.01.92.1表 2畫(huà)特定長(zhǎng)度直線測(cè)試3.驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺按設(shè)置由靜止開(kāi)始按特定角度擺動(dòng)直線段，多次測(cè)量記錄其由靜止開(kāi)始擺動(dòng)的時(shí)間以及在角度和長(zhǎng)度偏移量如下表3：特定角度/度00或180045º或225º90º或270º35º或315º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?fàn)顟B(tài)時(shí)間測(cè)試4.使風(fēng)力擺在特定角度處分開(kāi)使其在5s內(nèi)靜止，多次測(cè)量其達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)所用時(shí)間如下表4：特定角度/度300350400450時(shí)間/S87910

15、表 4畫(huà)特定角度直線測(cè)試 5.驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺使其以激光筆光點(diǎn)為圓心，設(shè)置半徑并畫(huà)圓，多次測(cè)量記錄其畫(huà)3次圓所用的時(shí)間以及圓半徑的最大偏差距離如下表5：半徑/c畫(huà)圓所用時(shí)間/S2426272528最大偏移距離/cm2.21.82.01.81.5表 5畫(huà)圓相關(guān)測(cè)試 6.測(cè)試分析與結(jié)論測(cè)試結(jié)果是基于多次測(cè)試后得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試后，基本完成所有任務(wù)。由此得出以下結(jié)論：1）風(fēng)機(jī)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(yùn)動(dòng)效果。2）風(fēng)力擺的控制需要時(shí)間上的配合，加入的時(shí)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(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5. 結(jié)