风力摆控制系统设计报告

1、精选优质文档-倾情为你奉上2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）摘要本风力摆控制系统以STM32F103C8单片机为控制核心，采用MOS管电机驱动，通过加速度陀螺仪MPU-6050来采集风力摆的角度，并用按键输入相关参数要求及测试模式，主控单元STM32F103C8单片机处理采集到的信号并给定PWM控制直流风机。该系统硬件部分主要由电源模块、单片机模块、电机驱动模块、按键模块、陀螺仪、风力摆等构成闭环控制系统。主要运用STM32F103C8单片机控制直流风机组，根据风力摆的状态，通过程序控制PID算法，使直流风机组带动整个风力摆装置的旋转移动并保持一定平衡，实现了通过直流风机组

2、控制风力摆运动、画线、画圆及静止等的功能。关键词：STM32F103C8单片机；MPU-6050；电机驱动；PID算法2015年8月15日专心-专注-专业1. 系统方案论证1.1 单片机控制模块的论证与选择方案一：采用51单片机，价格低廉，应用普遍，操作简单，控制能力强。但是外设端口较少， 片内资源少，运行速度很慢，需要外围元件多。方案二：采用PLC单片机，可靠性高，抗干扰能力强，但体系结构封闭，不兼容。方案三：采用STM32单片机，其程序都是模块化的，接口相对简单，而且自身带有好多功能，工作速度快，且性价比较高。综合以上三种方案，选择方案三。1.2 电机驱动模块的论证与选择方案一：采用继电器

3、对电机开关进行切换，以调整风力摆的周期。但是继电器的响应时间慢，易损坏，可靠性不高。方案二：采用L298N电机驱动模块，输入端与单片机直接相连，便于控制。但驱动电流小，无法驱动大功率的风机，且压降大、易发热，影响驱动性能。方案三：采用场效应管IRFD120组成的电机驱动模块，驱动能力好，易于调速、过载能力大、开关速度大，能耗小。综合以上三种方案，选择方案三。1.3 风力摆方案的论证与选择方案一：选用12V，2.4A的风机，将朝着四个方向的风机两两连接在一起形成正方环形风力摆。但是风扇环闭，影响进风，且因为电流大，带动慢，耗时。 方案二：选用12V，1.2A的风机，用一块板子将四个风机分为两层，

4、相对摆放。小巧轻便，风扇摆放未环闭，风力较好，且动力较足。综合以上两种方案，选择方案二。1.4 角度检测模块的论证与选择方案一：采用光电编码器可以直接测出风力摆角度，但是体积大、精度低、仅能测出摆杆角度。方案二：选用WDD35D5角度传感器，根据摆杆旋转角度产生相应阻值，但该方案需要AD转换成相应的角度，且不易放置、仅能直接得到角度。方案三：选用MPU6050加速度陀螺仪，精度高，通过处理后可检测到摆杆的旋转角度及其加速度，以便对摆杆的控制。 综合以上三种方案，选择方案三。1.5 控制算法的论证与选择方案一：采用LQR算法即线性二次型调节器 ,其对象是现代控制理论中以状态空间形式给出的线性系统

5、 ,而目标函数为对象状态和控制输入的二次型函数，LQR可得到状态线性反馈的最优控制规律，易于构成闭环最优控制，但编程复杂，数据处理量大。 方案二：采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，将风力摆对应状态的角度加入PID算法后通过PWM控制直流风机旋转方向与速度。控制精度高,且算法简单明了，结构改变灵活。综合以上两种方案，选择方案二。2. 系统理论分析与计算2.1 风力摆状态检测由于对旋转及运动要求的限制，通过导线将加速度陀螺仪MPU-6050固定在风力摆的摆杆上以此采集风力摆状态的相关数据，通过PID算法调节直流风机运动效果。假如当风力摆在静止状态时，然后启动往左的直流风机（采用

6、PD算法，当偏离平衡角度越大，则PD反馈给风机占空比的值就越大），MPU-6050检测出当前的角度，再通过PID算法给芯片，使风力摆杆保持向左运动的状态。2.2 驱动与控制算法风力摆运动是一个连续变化的过程，旋转的变化也是一个连续渐变的过程。本设计中STM32F103C8单片机通过处理MPU-6050采集的风力摆当前状态角度调节输出PWM的占空比，进而控制直流风机组的方向及速度变换，从而实现对风力摆的控制。在连续的闭环控制系统中，按偏差，比列，微分，积分进行的PID控制技术是一种应用最广泛的控制方式，所以本系统采用PID算法来控制直流风机组的转动。PID算法的控制数学模型如下：ut=kpet+

7、1Ti0tetdt+TDd(et)dt其中，kp为比例放大系数，Ti为积分时间常数，TD为微分时间常数，e(t)为风力摆角度偏差。1）比例环节P 及时成比例地反映控制风力摆系统的角度偏差e(t)，一旦产生误差，立即调节减少误差。Kp过大会使风力摆系统出现超调或振荡现象，Kp过小又起不到调节作用，比例控制无法消除余差。2）积分环节I 主要用于消除余差，强弱程度取决于Ti，Ti越大则积分作用越弱，风力摆系统稳定性下降，所以要找到合适的Ti。3）微分环节D 反映偏差信号的变化趋势，在偏差信号值e(t)变得太大前， 产生响应抑制偏差，使风力摆系统趋于稳定，改善系统动态性能。图 1 PID算法框图2.3

8、 系统分析风力摆系统如下图。图 2 系统原理图当要求绘制线段大于50cm时，只需L2大于25cm，或者要求实现任意设置的线段长度时，只需实现任意范围内角度的控制变化即可，让风力摆沿着X或者Y轴摆动，控制一个轴向的直流风机，再根据距离计算并控制相应的角度。由sin=L2L1,则控制角度=arcsinL2L1，精确控制可由PID算法实现。其中L1为风力摆摆杆长度，L2为横向一边摆动的长度。而当要求完成特定摆动方向时，则需同时控制X轴和Y轴方向的直流风机，若与X轴夹角为，则需要两个轴线上的直流风机产生的空气推力符合如下关系：tan= F1F2，其中F1为两直流风机在Y轴方向上的合力，F2为两直流风机

9、在X轴方向上的合力。图 3圆周运动原理图要求风力摆做圆周运动时，则需要控制风力摆摆杆与重力方向的夹角。如上图，调节X轴方向上的直流电机的PID参数使摆杆稳定至相应的角度，再通过Y轴方向的直流电机驱动产生推力使其沿圆切线方向运动，从而绘制出圆形轨迹。3. 电路与程序设计3.1 系统总体框图 整体系统由机械结构、STM32F103C8单片机最小系统板、电源模块、电机驱动模块、MPU-6050陀螺仪、按键模块组成。图 4系统总体框图3.2 电路的设计 3.2.1 单片机最小系统框图与电路原理图本设计采用了STM32F103C8单片机，资源丰富，能使PWM信号的脉冲宽度实现秒级的变化，从而提高直流风机

10、的转角精度。主要作用是：采集MPU-6050数据，反馈闭环控制电机驱动，检测键盘的键位，控制功能模式切换。图 5单片机最小系统电路原理图3.2.2 电机驱动模块电路原理图本模块采用了IRFD120场效应管电机驱动电路，且加入光耦TLP5H避免电机对单片机的干扰，从而使系统稳定可靠的工作。主要作用是驱动直流风机进行旋动。图 6电机驱动电路原理图3.2.3 MPU-6050陀螺仪原理图MPU-6050整合了3轴陀螺仪和3轴加速度器，角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作。主要作

11、用是：通过处理检测风力摆的旋转角度并将数据发送给单片机。图 7 MPU-6050电路原理图3.2.4 按键模块原理图按键的一端接单片机的I/O口，通过按键的扫描，对不同按键赋予功能，并通过按键来进行对单片机操作的选择。图 8按键模块电路图3.3 程序的设计3.3.1 程序功能描述与设计思路1程序功能描述 1）可以实现特定长度的距离移动 2）可以实现特定方向即角度的移动 3）可以实现特定时间特定圆周的移动根据题目要求软件部分主要实现键盘的模式切换。 2. 程序设计思路 首先对I/O、按键等初始化，读取按键的值送入单片机中，进行模式切换，通过电机驱动实现风力摆的运动与旋转，连续读取MPU-6050

12、陀螺仪检测风力摆的位置状态数据，检测风力摆是否达到要求状态，若达到则结束。3.3.2 程序流程图图 9程序流程图4. 测试方案与测试结果4.1 测试方案根据方案设计的要求，调试过程共分三大部分：硬件调试、软件调试和软硬件联调。1、硬件测试 首先电路按模块调试，各模块搭建硬件电路并分别测试成功，然后将分立的模块搭建在一起测试整体功能。经测试，我们的单片机模块、电机驱动模块、控制模块、按键模块均工作正常。 2、软件仿真测试 软件测试我们利用keil4软件在线调试，程序编译正确，执行正常。3、硬件软件联调 在搭好的硬件上直接测试，通过串口将程序下载至单片机中，打开运行，经过多次试验结果正常。4.2

13、测试条件与仪器1.条件：多次检测，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图相同，且检查无误，硬件电路保障无虚焊。2.仪器：UNI-T UT33D 数字万用表、秒表、稳压电源、米尺、自制方向角度图纸3指标：1）风力摆摆动直线距离2）风力摆摆动角度3）风力摆完成圆周情况4.3 测试结果与分析 1. 驱动风力摆工作，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm 的直线段，来回多次，记录其由静止至开始摆动时间以及偏移量如下表1：测试次数/次12345时间/S1614151613最大偏差量/cm2.82.32.62.82.1表 1画长于50cm直线测试2.驱动风力摆按设置由静止开始摆动特定长度的直线段，多次

14、测量记录其由静止开始摆动的时间以及偏移量如下表2：特定长度/cm3040506070最大偏差量/cm2.32.62.01.92.1表 2画特定长度直线测试3.驱动风力摆按设置由静止开始按特定角度摆动直线段，多次测量记录其由静止开始摆动的时间以及在角度和长度偏移量如下表3：特定角度/度00或180045º或225º90º或270º35º或315º最大偏移距离/cm2.01.81.51.7最大偏转角度/度10685表 3恢复静止状态时间测试4.使风力摆在特定角度处分开使其在5s内静止，多次测量其达到静止状态所用时间如下表4：特定角度/度3

15、00350400450时间/S87910表 4画特定角度直线测试 5.驱动风力摆使其以激光笔光点为圆心，设置半径并画圆，多次测量记录其画3次圆所用的时间以及圆半径的最大偏差距离如下表5：半径/c画圆所用时间/S2426272528最大偏移距离/cm2.21.82.01.81.5表 5画圆相关测试 6.测试分析与结论测试结果是基于多次测试后得到的数据，经过多次测试后，基本完成所有任务。由此得出以下结论：1）风机的性能不是特别理想，具有一定的滞后性，风力摆也具有自旋性，一定程度上影响风力摆运动效果。2）风力摆的控制需要时间上的配合，加入的时间和参数至关重要。3）好的硬件电路是成功的奠基石。综上，本设计基本达到设计要求。5.