风力摆控制系统16（b题）

2015年全国大学生电子设计竞赛（瑞萨杯）风力摆控制系统（B题）【本科组】2015年8月15日摘要本文论述了风力摆及控制装置的设计思路和过程。本系统采用飞思卡尔公司MC9S12XS128单片机作为系统的控制器，控制器通过IIC总线采集MPU6050信号，经过四元数融合算法进行数据处理，得到摆杆摆动角度值，经PID算法处理，产生PWM信号，驱动和控制轴流风机的转速。本系统可实现摆杆划直线、斜线、画圆等多种模式，可通过拨码开关手动切换及12864液晶显示系统所运行的模式。关键词风速摆；飞思卡尔MC9S12XS128；MPU6050；PID算法。目录摘要I目录II一、方案设计与论证111系统结构112方案比较与选择1121控制器的比较与选择1122角度传感器的比较与选择1123驱动模块的比较与选择2二、理论分析与计算221风力摆状态测量222风力摆运动控制323控制算法3三、硬件电路与软件程序设计431主要电路设计4311XS128最小控制系统及整体电路4312电机驱动电路设计4313角度采集电路设计432程序结构设计533程序设计5四、测试方案与测试结果541测试仪器542测试方案5421控制过程543测试结果及分析6431测试结果数据6432测试分析与结论6五、结束语6参考文献7附录8附录一原理图8附录二测试结果数据10附录三程序流程图11附录四部分程序11一、方案设计与论证11系统结构主控制器MC9S12XS128轴流风机激光器12864液晶显示模块键盘电源陀螺仪风力摆图11系统结构框图12方案比较与选择121控制器的比较与选择方案一采用MSP430F449单片机作为系统控制器。此款单片机低功耗，但AD模块为12位，精度达不到本系统要求。方案二采用STC89C52单片机作为控制器。此款单片机价格便宜，但片内集成资源少，无片内集成AD,外接AD电路复杂，不便于有效控制。其运行速度相对其他单片机较慢。方案三采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机作为系统控制器。此款单片机的AD模块为16位、精度高，PWM输出方便，能够满足题目中对电机的控制和数据的处理，以实现对系统精确的调控。综合比较以上方案，我们选择方案三中的飞思卡尔MC9S12XS128作为系统的控制器。122角度传感器的比较与选择方案一利用加速度计和陀螺仪进行融合，通过卡尔曼滤波得出角度。集成度低，对于三围空间的采集及计算太过于繁琐。加大了程序的复杂程度。方案二采用WDD35角度传感器，该传感器分辨率高，转动顺滑，动态噪声小。功率为2W，机械转角为360，但是其功率较大，不满足低功耗的要求。方案三MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。MPU6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合数据。综合比较以上方案，我们选择方案三中MPU6050模块作为系统的角度传感器。123驱动模块的比较与选择方案一L298是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，内部包含4通道逻辑驱动电路。但其输出电流不能超过4A，比较容易发热，有较大的局限性。方案二BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，驱动电流可达43A，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。具有极好的驱动能力，能够很好的满足题目的要求。综合比较以上方案，我们选择方案二中电阻式角位移传感器的作为系统的角度传感器。二、理论分析与计算21风力摆状态测量1、采用了MPU6050采集空间姿态，将采回数据通过四元数算法得出欧拉角从而求出X,Y,Z轴的偏向角。计算出此时的空间所在方位。图213D笛卡尔坐标系图22欧拉角图示通过旋转轴和绕该轴旋转的角度可以构造一个四元数、2/COSW、。其中是绕COS2/SINXXCOS3/SINYYS2/SINZZ旋转轴旋转的角度，、为旋转轴在X,Y,Z方向的分量XZ（由此确定了旋转轴）。四元数到欧拉角的转换21ARCTNSIRT22ZYXWY2、当风力摆按照预设的高度做X轴上的稳定直线摆动时，他的稳态数学模型是单摆运动。根据系统的机械能守恒得到公式1。EPK由1式得2LCOSMGV21EX转化为3SYWE上式中X是对X轴的偏角等于Z轴偏角，Y是Y轴的角速度等于X的微分，M,G,L为固定的数字，W相当于对E做线性变换。通过设定WSET值与实时计算的WGET，使用PI控制可以实现风力摆的稳定沿着X轴画直线。任意角度的划线时修正为SINCOYX4COSSINYXY522风力摆运动控制整个系统是以机械能守恒定律为控制的根本依据。在XZ面上，如图23所受重力、细杆的拉力以及风扇的推力构成一组力，通过改变风扇推力的大小来改变角的大小，从而通过三角函数计算控制激光笔在地面画线的长短。X轴方向F拉F推COSINZ轴方向F拉F推GICS图23XZ面图24XY面1、在XY面上，如图24画圆时根据各风扇合力提供向心力，且半径不变则向心力不变为原则，通过控制不同风机的风力（转速），令两风机所提供的力分别等于该半径下向心力的SIN、COS的分量。即可保证风机组的圆周运动。（注重力G和拉力F及风机推力F合力提供向心力，现分解向心力F。）在XY面上分解F向F向F向心力SINCOS23控制算法PID控制算法中微分作用是控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著效果，在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差，因此PID控制算法适用于控制质量要求很高的控制系统。改变加到直流电机电枢两端的直流驱动电压，即可改变电机的转速；改变该驱动电压的极性，即可改变不同电机的旋转速度。使用PWM（脉宽调制）方法，可以方便地改变加给电机电枢的平均电压的大小。改变控制信号的占空比就可以改变电机的转速。具体分析如下（21）其中，为摆杆的角度差，对应摆杆平衡时的角度值，对应摆杆当前的角度值。（22）其中，为比例调节系数，通过公式可以看出增大可知角度差的作用加强，可加强系统的强硬速度，使摆杆迅速达到直立的状态。（23）其中，对应摆杆上一次采集到的角度值。为微分调节系数，对应角度的变化值，因此可知，调节可以改善系统的动态性能。把PWM的值给电机即可改变电机的转速，使摆杆的角度改变。最终实现摆杆的定位。三、硬件电路与软件程序设计31主要电路设计311XS128最小控制系统及整体电路见附录一。312电机驱动电路设计BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，驱动电流可达43A，于电流过大，采用快速光耦6N137和单片机进行了隔离。而且芯片还具有电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。电机驱动电路见附录一。313角度采集电路设计角度采集电路见附录一。32程序结构设计程序结构设计流程图见附录三。33程序设计部分程序见附录四。4、测试方案与测试结果41测试仪器风速仪、数字万用表、量角器、示波器42测试方案本作品的测试中，采用的是指定角度并进行测量。首先，指定其沿0度方向划长度为50CM的直线，然后沿30度方向画长度为40CM直线，再然后画半径为20CM的圆，并依此用量角器测量。最后用风扇在旁边加扰动并进行测量，观看其所受影响。图41测试用纸图42风力摆结构图421控制过程模式一按按键一，进入模式一状态，从静止开始，15S内风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短50CM的直线段，其线性度偏差不大于25CM，并且具有较好的重复性。模式二按按键二，进入模式二状态，从静止开始，15S内控制风力摆摆动的幅度，画出长度在3060CM间可设置，长度偏差不大于25CM的直线段，并且具有较好的重复性。模式三按按键三，进入模式三状态，设定摆动方向，风力摆从静止开始，15S内按照设置的方向摆动，画出不短于20CM的直线段。模式四按按键四，进入模式四状态，将风力摆拉起一定角度（3045）放开，5S内使风力摆制动达到静止状态。模式五按按键五，进入模式五状态，以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30S重复3次，圆半径在1535CM范围内设置，激光笔画出的轨迹落在半径25CM的圆环内。模式六在模式五的状态下，在距离风力摆12M距离内用一台5060W台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹5S后停止，风力摆能够在5S内恢复到模式0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350五状态，激光笔画出圆周轨迹。43测试结果及分析431测试结果数据见附录二。432测试分析与结论由测试结果分析，本系统较好的完成了基本部分和发挥部分。并且本系统外加入了液晶显示和拨码开关，具有良好的人机交互界面。五、结束语在完成本设计的过程中，我们把注意力主要集中在硬件结构的搭建和软件程序设计上。本次设计查阅了大量相关资料，包括查阅相关书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。在这为电子竞赛准备的期间，我们学到了很多，专业知识有了很大的提高。非常感谢有这么一个可以施展专业才华的舞台。参考文献1孙同景，陈桂友FREESCALE9S12十六位单片机嵌入式开发技术M北京机械工业出版社，200872黄智伟全国大学生电子设计竞赛技能训练（第2版）M北京北京航空航天大学出版社，201113陈海滨，殳国华四旋翼飞行器的设计J实验室研究与探索，2013034胡宁博，李剑，赵榉云基于HMC5883的电子罗盘设计J传感器世界，2011065徐伟，屈百达，徐保国基于模糊PID模型的无刷直流电机转速控制J科学技术与工程，20106宿敬亚，张瑞峰，王新华，蔡开元基于滤噪微分器的四旋翼飞行器控制J控制理论与应用，200908附录附录一原理图XS128最小控制系统及整体电路电机驱动电路角度采集电路附录二测试结果数据表41摆杆画出一定长度直线（50CM）测试次数画线长度/CM偏差/CM150242462334920464125601365615表42按设定长度画直线测试次数设定长度/CM偏差/CM1301124508350134550956012表43按设定角度摆动测试次数设定角度/度所用时间/S130132451039012418011527010630011表44风力摆往复运动，受干扰时恢复动作测试次数遇干扰后恢复时间132433445364附录三程序流程图附录四部分程序INCLUDE“DEFINEH“S_INT16_XYZMPU6050_ACC_LAST,MPU6050_GYRO_LAST/最新一次读取值S_INT16_XYZGYRO_OFFSET,ACC_OFFSET/零漂VOIDMPU6050_DATAANLVOIDMPU6050_ACC_LASTXGETDATASLAVEADDRESS_6050,ACCEL_XOUT_HMPU6050_ACC_LASTYGETDATASLAVEADDRESS_6050,ACCEL_YOUT_HMPU6050_ACC_LASTZGETDATASLAVEADDRESS_6050,ACCEL_ZOUT_HMPU6050_GYRO_LASTXGETDATASLAVEADDRESS_6050,GYRO_XOUT_HMPU6050_GYRO_LASTYGETDATASLAVEADDRESS_6050,GYRO_YOUT_HMPU6050_GYRO_LASTZGETDATASLAVEADDRESS_6050,GYRO_ZOUT_H/初始化MPU6050/VOIDINITMPU6050VOIDSINGLE_WRITEI2CSLAVEADDRESS_6050,REGISTER55CFG,0X02SINGLE_WRITEI2CSLAVEADDRESS_6050,USER_CTRL,0X00SINGLE_WRITEI2CSLAVEADDRESS_6050,PWR_MGMT_1,0X00/解除休眠状态SINGLE_WRITEI2CSLAVEADDRESS_6050,SMPLRT_DIV,0X07SINGLE_WRITEI2CSLAVEADDRESS_6050,CONFIG,0X06SINGLE_WRITEI2CSLAVEADDRESS_6050,GYRO_CONFIG,0X18SINGLE_WRITEI2CSLAVEADDRESS_6050,ACCEL_CONFIG,0X01VOIDINITHMC5883LVOIDSINGLE_WRITEI2C0X3C,0X2,0/合成数据/INTGETDATAUCHARSLAVEADDRESS,UCHARREG_ADDRESSUCHARH,LINTTEMPHSINGLE_READI2CSLAVEADDRESS,REG_ADDRESSLSINGLE_READI2CSLAVEADDRESS,REG_ADDRESS1TEMPH200|TEMP256HSINGLE_READI2CSLAVEADDRESS,REG_ADDRESSLSINGLE_READI2CSLAVEADDRESS,REG_ADDRESS1RETURNH8L/合成数据VOIDMS561101B