风力摆控制系统12（B题）

风力摆控制系统（B题）[本科组]2015年8月15日摘要：本文论述了风力摆控制系统的设计思想和实践过程。该系统分为电机驱动系统、信息采集和信息处理系统，整个系统是一个控制网络。本系统采用飞思卡尔MC9S12XS128MAL单片机作为主控制器，通过控制单片机产生PWM控制轴流风机达到特定的转速，进而控制轴流风机的偏移角度，控制器通过模拟IIC端口采集MPU-6050模块发送的信号，经过对数据进行卡尔曼滤波、PID算法等处理，得到摆杆三维摆动角度，通过LED灯、扬声器、液晶显示屏等，实现系统工作状况显示、任务完成报警、风摆位置状态显示等功能。本系统可通过拨码开关分别切换控制模式，实现指定摆动、摆杆画圆等五种功能。通过对系统的测试，结果表明该系统工作稳定、可靠，在规定时间内完成了比赛的基本要求和发挥部分。关键词：风力摆；飞思卡尔MC9S12XS128单片机；MPU6050陀螺仪；卡尔曼滤波；PID算法。目录一、方案设计与论证 1风力摆结构分析与选择 1风力摆结构分析 1风力摆结构方案选择 1方案比较与选择 1控制器的比较与选择 1角度传感器的比较与选择 21.2.3驱动模块的比较与选择 2显示模块的比较与选择 2系统结构方案 2二、理论分析与计算 32.1摆杆状态检测 32.2控制算法 3三、硬件电路与软件程序设计 43.1主要电路设计 43.1.1128最小控制系统及整体电路 4电机驱动电路设计 4角度采集电路设计 4显示屏电路设计 43.2程序结构设计 5四、测试方案与测试结果 5测试仪器 5测试方案 5控制过程 5测试结果及分析 6测试结果数据 6测试分析与结论 6五、总结 6参考文献 7附录 8一、方案设计与论证1.1风力摆结构分析与选择1.1.1风力摆结构分析图1-1风机受力分析图控制风力摆做类似自由摆运动，在运动方向至少一个风机提供动力，通过间断给风机供电，利用风机惯性达到更大的摆动幅度，以弥补轴流风机功率小、动力不足无法达到要求角度的缺点。将直流风机看做质点，对直流风机进行受力分析：每个风机质量m，摆杆拉力F,a由牛顿第二定律可得：竖直方向上：f2-mg/tanθ=ma （1-1）风机最大风力f2不变，随着风机摆动幅度增大（θ增大），风机水平方向加速度减小。在水平面上，要使风机做匀速圆周运动，至少需要两个方向相互垂直的力——切向力和向心力，所以至少需要两个风机才能满足需要。1.1.2风力摆结构方案选择方案一：两个风机，风机以一定角度连接，该方案风机总质量最轻，固定简单，但是控制比较复杂。方案二：三个风机，三个风机连接质量较重，重心易偏离，控制算法复杂。方案三：四个风机，四个风机连接简单，重心易掌握，控制算法较简单。综上所述，要满足题目要求至少需要两个风机共同作用，综合各方面因素，最终我们决定使用方案三。方案比较与选择1.2.1控制器的比较与选择方案一：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，抗干扰能力不是很强，软硬件要求较高，未集成AD模块，不便于有效控制。其运行速度相对其他单片机较慢。方案二：采用MSP430f449单片机作为系统控制器。此款单片机低功耗，但AD模块精度低，I/O无保护，过压过流会立即击穿，工作电压较低，增加电路硬件要求。方案三：采用飞思卡尔MC9S12XS128MAL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MC9S12XS128MAL作为系统的控制器。1.2.2角度传感器的比较与选择方案一：电容式角位移传感器，该传感器结构简单，适应性强，但寄生电容对电路影响大，输出阻抗高，价格较高。方案二：电阻式角位移传感器，此种传感器的结构简单、成本低、适用的温度范围较宽；但是WDD35D系列产品采用硬质铝合金材料制作外壳，重量太大，增加轴流风机的负担，不满足题目的要求。方案三：MPU-6050模块，该模块重量轻，精度较高，调试较为方便，温漂较小，符合题目要求。综合比较以上方案，我们选择方案三中MPU-6050模块的作为系统的角度传感器。1.2.3驱动模块的比较与选择方案一：L298驱动，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：电子调速器，驱动电流可达20A，四合一电调满足同时控制四个轴流风机，具有低压、过压、过流、过热保护，但成本较高。方案三：BTN7971是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，驱动电流较大，具有过流及短路保护的功能。综合比较以上方案，我们选择方案三中BTN7971驱动作为本系统的驱动模块。1.2.4显示模块的比较与选择方案一：LED数码管显示，数码管显示具有亮度高、夜视效果好等优点，但显示信息量小，且自身功耗较大。方案二：彩屏液晶显示，彩屏显示效果优美，可以显示字母、数字、汉字、图像等，但是其占用系统内存较大，成本较高。方案三：LCD12864液晶显示屏显示，12864液晶不仅可以显示数字和字母，还可以显示汉字、图像等信息，且控制简单，价格便宜。综合比较以上方案，我们选择方案三中LCD12864液晶显示屏作为本系统的显示模块。1.3系统结构方案经过上述的分析与论证，系统最终方案结构图如下：图1-1系统结构图二、理论分析与计算2.1摆杆状态检测摆杆状态的检测利用的是角度传感器（型号为MPU-6050）。能够准确的检测摆杆的运动状态。角位移传感器的输入与输出均为数字量的直流电压，利用IIC总线能够直接地采集数据，不同的数据对应不同的角速度和角加速度，以此来判断摆杆所处的位置与运动状态。主控制器依据摆杆运动所产生的数据变化进一步调控电机旋转。控制算法PID是一个闭环控制算法。PID控制算法适用于控制质量要求很高的控制系统，因为PID控制算法中微分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。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，即可改变电机的旋转方向。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：error=set_angle-angle_one（2-1）其中error为摆杆的角度差，set_angle对应摆杆平衡时的角度值，angle_one对应摆杆当前的角度值。up=kperror （2-2）kp为比例调节系数，通过公式可以看出增大kp可知角度差的作用加强，可加强系统的强硬速度，使摆杆的迅速达到要求的状态。ud=kd（angleone-anggle_one_old） （2-3）angle_one_old对应摆杆上一次采集到的角度值。kd为微分调节系数，angle_one-angle_one_old对应角度的变化值，因此可知，调节kd可以改善系统的动态性能。pwm=up-ud （2-4）把PWM的值给电机即可改变电机的转速，使摆杆的角度改变。最终实现摆杆摆动或者作圆周运动。三、硬件电路与软件程序设计3.1主要电路设计3.1.1128最小控制系统及整体电路MC9S12XS128单片机最小系统电路如附录一附图1-1整体电路图。BTN7971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，由于电流过大，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。电机驱动电路图如附图1整体电路图。由电源给MPU-6050集成模块两端加入适当电压，通过控制器采集其端口输出的数据信号，经过处理即可得到摆杆的角度值。电机驱动电路图如附图1整体电路图所示。3.1.4LCD12864显示屏电路设计通过12864显示模块实时显示摆杆状态，及时反馈，方便操作员观察与调节。显示模块电路如附图1整体电路图所示。3.2程序结构设计程序结构流程如下图：图3-1程序结构流程图测试方案与测试结果秒表、数字万用表、量角器、示波器、风速仪单片机控制电机转速，从而间接控制风力摆角度，控制模式共分为六种，分别完成相应题目。六种模式分别为：模式一：从静止开始，15s内控制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于50cm的直线段，其线性度偏差不大于±2.5cm，并且具有较好的重复性。模式二：从静止开始，15s内完成幅度可控的摆动，画出长度在30~60cm间可设置，长度偏差不大于±2.5cm的直线段，并且具有较好的重复性。模式三：可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20cm的直线段。模式四：将风力摆拉起一定角度（30°~45°）放开，5s内使风力摆制动达到静止状态。模式五：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内需重复3次；圆半径可在15~35cm范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径±2.5cm的圆环内。模式六：在完成模式五后继续作圆周运动，在距离风力摆1~2m距离内用一台50~60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内恢复模式五规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹。测试模式摆动时间要求（S）测试平均结果(S)模式一157.8模式二15模式三15模式四5模式五15模式六5表4-1系统测试数据由测试结果分析，本系统基本能在规定的时间内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按键选择，具有良好的人机交互界面。五、总结在完成本设计的过程中，我们把注意力主要集中在风力摆结构的设想和软件程序设计上。本次设计涉及多种学科的多种实用知识，如：空气动力学，结构力学，基础物理，电子电路，程序开发与设计等，跨学科、跨领域，极大地拓展了我们的视野和知识面，我们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（编）.Freescale9S12十六位单片机嵌入式开发技术[M].北京：机械工业出版社，[2]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，[3]叶强.基于PID算法的电机转速控制系统的设计物理与电信工程（电子信息工程）[4]朱贵国,汪党.基于STM32单片机的直流电机调速系统设计中国民航大学北京安控科技股份，[5]傅清祥,王晓东.

数据结构与算法设计[M].

北京:

电子工业出版社,

2006.3:

31-46

[6]王敬华,林萍.陈静.

C语言程序设计[M].

北京:

清华大学出版社,

2007.10:

22-39[7]陆志良.空气动力学（第2版）.北京航空航天大学出版社,2009[8]龙驭球,II(第三版).高等教育出版社,2012[9]萧允徽,张来仪.结构力学I(第2版).机械工业出版社,2013[10]童诗白,技术基础（第四版）高等教育出版社,2006附录附录一：原理图附图1整体电路图附图2单片机电路图附录一：部分程序#include"define.h"int16x,y,z;int16tx,ty,tz;floatax,ay,az;intwx,wy,w