風(fēng)力擺控制系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上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） 2015年8月15日專心-專注-專業(yè)摘 要 本系統(tǒng)采用STM32F103V開發(fā)板作為控制中心，與萬(wàn)向節(jié)、擺桿、直流風(fēng)機(jī)（無(wú)刷電機(jī)+扇葉）、激光頭、反饋裝置一起構(gòu)成擺桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與風(fēng)機(jī)速度分配的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。單片機(jī)輸出可變的PWM波給電機(jī)調(diào)速器，控制4個(gè)方向上風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，從而產(chǎn)生大小不同的力。利用加速度計(jì)模塊MPU6050，準(zhǔn)確測(cè)出擺桿移動(dòng)的位置與中心點(diǎn)位置之間的關(guān)系，采樣后反饋給單片機(jī)，使風(fēng)機(jī)及時(shí)矯正，防止脫離運(yùn)動(dòng)軌跡。使用指南針模塊判別方向，控制系統(tǒng)向指定方向偏移。控制方式采用PID算法，比例環(huán)節(jié)進(jìn)行快速響應(yīng)，

2、積分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，微分環(huán)節(jié)減小超調(diào)，加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從而使該系統(tǒng)具有良好的性能，能很好地實(shí)現(xiàn)自由擺運(yùn)動(dòng)、快速制動(dòng)靜止、畫圓、指定方向偏移，具有很好地穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：STM32F103V、直流風(fēng)機(jī)、MPU6050、PID、指南針GY-273Abstract：This system adopts the STM32F103V development board as the control center, and the universal joint, swinging rod, dc fan (brushless motor + blades), laser, feedback device

3、together form the swinging rod motion state and fan speed distribution of the double closed loop speed regulation system. MCU output variable PWM waves to the motor speed, control four directions wind speed of the fan, to produce different size. Using accelerometer module MPU6050, accurately measure

4、 the position of swinging rod mobile and center position, the relationship between the sampling after feedback to the single chip microcomputer, the fan timely correction, prevent from the trajectory. Use the compass module judging direction, deviation control system to a specified direction. Using

5、PID algorithm control method, proportion link for quick response, integral element to realize astatic, differential link decrease overshoot, speed up the dynamic response. So that the system has good performance, which can well realize the pendulum movement, fast brake static, circle, specify the di

6、rection deviation, has a good stability.Keywords: STM32F103V, dc fan, MPU6050, PID, compass GY - 273 目 錄風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】一、系統(tǒng)方案1.1 系統(tǒng)基本方案1.1.1 控制方案設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)題目要求我們采用STM32F103V單片機(jī)做為主控芯片，用加速度計(jì)陀螺儀模塊MPU6050來計(jì)算角度和風(fēng)機(jī)狀態(tài)，用直流風(fēng)機(jī)帶動(dòng)擺桿運(yùn)動(dòng)。當(dāng)MPU6050檢測(cè)到擺桿的角度時(shí)，可根據(jù)三角函數(shù)公式計(jì)算出擺桿現(xiàn)在距離中心的具體位置（方向、距離），單片機(jī)會(huì)控制PWM波的輸出大小來控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速與方向，使擺

7、桿達(dá)到在特定位置靜止或按照一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。當(dāng)擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)時(shí)，給四個(gè)風(fēng)機(jī)同時(shí)上電且風(fēng)向都向外，此時(shí)擺桿仍處于受力平衡靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)降低X軸上一個(gè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，擺桿將會(huì)帶動(dòng)激光頭在X軸上畫一條直線，當(dāng)達(dá)到一定的傾斜角度時(shí)，單片機(jī)可根據(jù)角度計(jì)算出此時(shí)距離中心的距離是否>=25cm，若達(dá)到要求后，此風(fēng)機(jī)減速，X軸反方向上電機(jī)逐漸加速，恢復(fù)到初始速度，反方向做相同的運(yùn)動(dòng)。在此過程中，單片機(jī)做出A/D采樣，Y軸方向方向風(fēng)機(jī)隨時(shí)做出矯正，防止發(fā)生軌跡偏移。角度傳感器控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 控制系統(tǒng)框圖 1.1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)由于擺桿長(zhǎng)度（60cm70cm）較長(zhǎng)，且要求激光頭在地面畫出

8、15cm35cm的圓，所以要求橫桿的距離要足夠長(zhǎng)。橫桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)加之?dāng)[桿重量較大，所以要求底座要有足夠的重量來支撐整個(gè)系統(tǒng)。如果結(jié)構(gòu)不穩(wěn)或者重量不夠，擺桿運(yùn)動(dòng)過程中將會(huì)產(chǎn)生傾倒或者抖動(dòng)等現(xiàn)象，影響測(cè)試結(jié)果。于是，底座采用了“工”型結(jié)構(gòu)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。擺桿材料方面，我們選用輕便的硬質(zhì)鐵質(zhì)材料與風(fēng)機(jī)進(jìn)行剛性連接，既能保證連接處的穩(wěn)定，又可達(dá)到減輕底座負(fù)擔(dān)的目的。風(fēng)機(jī)選擇方面，既要保證風(fēng)力夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)題目基本要求中的自由擺運(yùn)動(dòng)、快速制動(dòng)靜止。又要有一定的重量，質(zhì)量越大，慣性越大，越不容易改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分（2）時(shí)，受到外界干擾，不容易改變?cè)瓉淼膱A周運(yùn)動(dòng)狀態(tài)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2圖2

9、 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖1. 底座；2.豎桿；3.橫桿；4.螺栓；5.萬(wàn)向節(jié)；6.擺桿；7.風(fēng)機(jī)（1）；8.風(fēng)機(jī)（2）；9.風(fēng)機(jī)（3）；10.風(fēng)機(jī)（4）1.2 各部分方案選擇與論證1.2.1電機(jī)選擇方案一： 采用小型軸流風(fēng)機(jī)（大功率），使用雙滾珠軸承，采用滾動(dòng)摩擦的形式，軸承中有數(shù)顆微小鋼珠圍繞軸心，當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼珠即跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)槎际乔蝮w，摩擦力較小，所以轉(zhuǎn)速較高。能達(dá)到8000RMP，同時(shí)產(chǎn)生較大的風(fēng)力。風(fēng)機(jī)內(nèi)力矩較大，是因?yàn)闄C(jī)內(nèi)繞了大量的銅線，導(dǎo)致重量較大，當(dāng)4個(gè)風(fēng)機(jī)固定到一起時(shí)，重量更大，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)困難加大，更難做到題目中按要求運(yùn)動(dòng)。另一方面，此風(fēng)機(jī)功率較大，所需電流較大，驅(qū)動(dòng)與

10、供電方面也有很大問題。方案二：采用雙環(huán)強(qiáng)磁空心杯電機(jī)，內(nèi)部使用強(qiáng)磁，轉(zhuǎn)速較高。風(fēng)力也足夠大，基本能達(dá)到要求。但是到題目發(fā)揮部分（2）時(shí)，面對(duì)外界風(fēng)力干擾時(shí)，由于本身重量較輕，極易受到外界干擾，而不容易保持原來狀態(tài)。另外，空心杯電機(jī)使用3.7V供電，供電電壓較低，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，空心杯的電壓線性度較小，而不易被精準(zhǔn)控制。方案三： 采用無(wú)刷電機(jī)，風(fēng)力較大，重量適中，完全能達(dá)到題目運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要求，速度控制精確，但須配套電機(jī)調(diào)速器。綜合考慮，我們選擇方案三。1.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇由于上述電機(jī)選擇了無(wú)刷電機(jī)，此驅(qū)動(dòng)只能選擇電機(jī)調(diào)速器。1.2.3 擺桿與橫桿的連接選擇方案一：擺桿使用粗單股導(dǎo)線直接

11、與橫桿連接，連接簡(jiǎn)單且自由度較好，給風(fēng)機(jī)供電等方面都比較容易，但是導(dǎo)線容易產(chǎn)生自旋，風(fēng)機(jī)固定困難也增大，增加了調(diào)試難度。方案二：擺桿使用硬質(zhì)鐵質(zhì)材料，通過萬(wàn)向軸與橫桿相連。用此材料強(qiáng)度能夠達(dá)到要求，且風(fēng)機(jī)固定容易。硬件搭建合理，配重平衡的前提下，擺桿來回?cái)[動(dòng)不易發(fā)生偏移，可輕松解決基本要求（1），減少了編寫代碼的工作量。綜上考慮，我們選擇方案二，節(jié)約時(shí)間。1.2.4 擺桿與風(fēng)機(jī)的連接選擇方案一：擺桿與風(fēng)機(jī)之間使用一個(gè)直流電機(jī)或者舵機(jī)連接，這樣可以隨時(shí)改變風(fēng)機(jī)的方向，同時(shí)可減少風(fēng)機(jī)的數(shù)量，控制量減少。但是此方案連接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，發(fā)揮部分圓周運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性不高。方案二：擺桿與風(fēng)機(jī)之間采用剛性連接，連接

12、較為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性能較好。綜上考慮，我們選擇方案二。2、 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1風(fēng)力擺位置的計(jì)算與分析圖3 擺桿擺動(dòng)示意圖（圖中紅色為MPU6050)通過加速度計(jì)陀螺儀模塊MPU6050檢測(cè)風(fēng)力擺擺桿的傾角數(shù)據(jù)。MPU6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)?？筛鶕?jù)三角函數(shù)公式，可計(jì)算出此時(shí)擺桿距離中心位置的距離(見圖3）。內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。MPU6050和所有設(shè)備寄存器之間通信采用400Khz的I2C接口，實(shí)現(xiàn)高速通信。測(cè)試過程中，MPU6050與單片機(jī)之間進(jìn)行通信，距離較長(zhǎng)，走線較多，干擾較大導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確，所以在SCL與SDA上拉2K電阻，解決采樣問題。內(nèi)置卡

13、爾曼濾波器，采用最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法精確測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別采用了16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，通過DMP處理器讀取測(cè)量數(shù)據(jù)然后通過串口輸出。1 MPU6050可測(cè)量出出1的角度 由圖中可知所以1=2；根據(jù)三角函數(shù)式 （60cm<L<70cm) 可求出擺桿偏移中心的距d。22 2.2風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析圖4 擺桿角度姿態(tài)分析圖基本要求（1）中屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，激光筆繪制的軌跡超過50cm即可。我們可以設(shè)置擺桿傾角超過一個(gè)閾值，可通過擺動(dòng)半徑R（R>=25cm）直接計(jì)算出。然后，通過開環(huán)調(diào)節(jié)，從低到高改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)

14、速，直到擺桿的角度超過閾值，記下此時(shí)PWM波脈寬級(jí)作用時(shí)間。要繪制50cm直線，只需R>25cm（R為地面運(yùn)動(dòng)軌跡的一半）在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)即可則其中L為擺桿與激光頭的長(zhǎng)度，a為激光頭到地面的距離（a<=20cm）基本要求（2）擺動(dòng)幅度可控，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，公式計(jì)算與（1）相同設(shè)置直線長(zhǎng)度（30cm<<60cm）MPU6050將傾角，角速度送給單片機(jī)，單片機(jī)控制風(fēng)機(jī)來產(chǎn)生推力使擺桿擺動(dòng)。2.3控制算法的分析切線方向系統(tǒng)采用PID算法來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，風(fēng)機(jī)開始工作后，MPU6050不斷采集當(dāng)前擺桿擺腳狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)進(jìn)行比較，使得擺桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。PID算法控制器

15、由4個(gè)風(fēng)機(jī)速度分配比例P角度誤差積分I角度微分D組成。圖5 圓周運(yùn)動(dòng)分析圖2其輸入e（t）與輸出U（t)關(guān)系為：徑向413o他的傳遞函數(shù)為：在發(fā)揮部分（1）時(shí)，要求做圓周運(yùn)動(dòng)。四個(gè)直流風(fēng)機(jī)1、2、3、4,1和3用來使擺桿與重力方向呈現(xiàn)設(shè)置的夾角，2和4用來推動(dòng)擺桿沿切線方向運(yùn)動(dòng)，這樣通過控制1、3電機(jī)的PID參數(shù)使擺桿達(dá)到設(shè)定的角度，通過2和4推動(dòng)擺桿，擺桿就會(huì)沿切線運(yùn)動(dòng)，繪制圓形軌跡。三、電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)3.1.1風(fēng)力擺控制系統(tǒng)總電路原理圖見附件13.1.2部分電路詳細(xì)原理圖圖7電機(jī)驅(qū)動(dòng)（電機(jī)調(diào)速器）圖6液晶顯示模塊圖10 按鍵模式選擇圖8 按鍵模式選擇部分圖9 聲音提示部分3

16、.1.3電源系統(tǒng)整體采用電腦電源供電，最大可輸出10A電流，無(wú)刷電機(jī)平均所需電流為2A，電源可滿足需求。12V供給4個(gè)并聯(lián)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（電調(diào)）帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，5V給單片機(jī)供電，單片機(jī)自帶穩(wěn)壓輸出3.3V給MPU6050供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)本身也可穩(wěn)壓輸出5V，給激光頭（5V)供電。此系統(tǒng)中所有電源共地。3.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 1、程序功能描述 系統(tǒng)采用獨(dú)立按鍵控制進(jìn)行模式選擇，設(shè)置有7個(gè)按鍵，按鍵16分別代表4個(gè)基本要求和2個(gè)發(fā)揮部分。使用12864液晶做顯示模塊，系統(tǒng)開機(jī)后進(jìn)入初始化狀態(tài)出現(xiàn)歡迎界面，然后通過按鍵進(jìn)行模式選擇，執(zhí)行不同的要求。 2、程序設(shè)計(jì)思路 基本要求（1）屬

17、于全開環(huán)控制，通過粗略控制便可實(shí)現(xiàn)，設(shè)定傾角閾值，從低到高不斷增加X風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，直到傾角超過閾值，記錄此時(shí)PWM脈寬級(jí)作用時(shí)間。 基本要求（2）需要采用閉環(huán)控制算法，計(jì)算公式與（1）相同，設(shè)定好范圍后，可與（1）使用相同的方法調(diào)試?；疽螅?）要采用受力分析，使用力的合成?；疽螅?）拉起一定角度后，如果不提供動(dòng)力，擺桿將逐漸衰減，但是速度緩慢，因此需要提供與運(yùn) 動(dòng)方向相反的力，阻礙擺桿運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程需要注意，實(shí)時(shí)采集擺桿的角度（比例項(xiàng) P），進(jìn)行 微分從而確定角速度（陀螺儀直接測(cè)量亦可），為微分項(xiàng) D，采用類似于自平衡的 PD 控制算法 即可發(fā)揮部分(1)可以明確，徑向風(fēng)機(jī)控制采用 PID

18、 控制算法，使擺桿穩(wěn)定在某一設(shè)定角度，切 線方向控制 2、4電機(jī)產(chǎn)生推力，推動(dòng)擺桿圓周運(yùn)動(dòng)。那么，很明顯，關(guān)鍵在于如何使擺桿穩(wěn) 定在某一個(gè)角度（認(rèn)為設(shè)定），使用 PID 算法即可，原理類似于基本部分（4），只不過基本部分（4）將豎直方向（重力方向）視為設(shè)定值，而發(fā)揮部分中是將設(shè)定的半徑轉(zhuǎn)換成的角度視為設(shè) 定值。發(fā)揮部分（2）這個(gè)項(xiàng)目主要是評(píng)價(jià)發(fā)揮部分（1）控制算法的穩(wěn)定性，無(wú)需特別的算法，事實(shí)上只要發(fā)揮部分（1）做得好，這一部分即可實(shí)現(xiàn)。發(fā)揮部分（3)使用了指南針模塊，可以確定方向，無(wú)論將系統(tǒng)怎么放置，擺桿可始終指向一個(gè)指定的方向。3.2.2程序流程圖圖10 程序流程圖1、主程序流程圖 圖11

19、 程序流程圖2、PID算法框圖圖11 PID算法框圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案（1） 驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)帶動(dòng)擺桿來回?cái)[動(dòng)，使激光頭在地面上打出一條大于50cm的直線。記錄由平衡位置到完成劃線要求時(shí)所用的時(shí)間以及最大偏差距離。重復(fù)6次，記錄在表1中。（2） 人為的設(shè)定激光頭劃線的長(zhǎng)度，從30cm開始測(cè)量，記錄到達(dá)規(guī)定長(zhǎng)度所用時(shí)間和最大誤差，測(cè)量3次，時(shí)間取平均值。然后依次記錄40cm、50cm、60cm的數(shù)據(jù)，記錄在表2中。（3） 人為的設(shè)定激光頭劃線的方向，使激光頭在地面上打出一條大于20cm的直線。從 0°直線開始。記錄達(dá)到規(guī)定長(zhǎng)度所用時(shí)間和最大誤差，測(cè)量3次，時(shí)間取平均值。然后依

20、次測(cè)量 90°、 180°、270°、360°直線，記錄在表3中。（4） 將擺桿拉倒一定的角度然后放下，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，記錄擺桿恢復(fù)到中心位置所用時(shí)間，記錄在表4。（5） 以擺桿靜止時(shí)的位置為圓心，設(shè)置畫圓半徑，記錄激光頭劃線旋轉(zhuǎn)3周后所用時(shí)間，以及偏差的最大距離，重復(fù)3次。然后改變半徑長(zhǎng)度，在一次測(cè)量，記錄在表5中。（6） 加入外界臺(tái)扇干擾后，依次測(cè)量記錄恢復(fù)到（5）狀態(tài)所用時(shí)間，記錄在表5中。4.2測(cè)試條件與儀器秒表、自制角度測(cè)量板、量角器、直尺、示波器、信號(hào)源（由于使用無(wú)刷電機(jī)，使用電調(diào)精確控制速度需要信號(hào)源產(chǎn)生、示波器測(cè)量PWM波的頻率、占空比等）4.

21、3測(cè)試結(jié)果及分析（1）測(cè)試結(jié)果 表 1風(fēng)力擺畫長(zhǎng)于 50cm 直線測(cè)試第一次測(cè)試第二次測(cè)試第三次測(cè)試第四次測(cè)試第五次測(cè)試第六次測(cè)試時(shí)間/S171614131010誤差/cm4.53.82.22.12.32.2表 2風(fēng)力擺畫不同長(zhǎng)度直線測(cè)試30cm 直線40cm 直線50cm 直線畫60cm 直線平均時(shí)間(s)66.5810.5誤差 11.11.22.61.4誤差 20.91.01.12.5誤差 31.31.30.81.6表 3風(fēng)力擺畫不同角度直線測(cè)試0°直線90°直線180°直線270°直線360°直線平均時(shí)間(s)7.06.57.77.510

22、.0誤差 12.01.81.02.11.8誤差 21.61.51.91.61.6誤差 32.21.11.31.41.2 表 4風(fēng)力擺恢復(fù)靜止測(cè)試時(shí)間（1）時(shí)間（2）時(shí)間（3）時(shí)間（4）時(shí)間（5）拉起 30°2.22.52.13.02.4拉起 35°2.93.73.33.72.9拉起 40°3.33.22.93.13.3拉起 45°3.65.13.83.65.5 表 5風(fēng)力擺畫圓測(cè)試半徑 15cm半徑 20cm半徑 25cm半徑 30cm半徑 35cm時(shí)間（1）2620222420偏差距離（1）1.92.21.31.62.0恢復(fù)時(shí)間（1）32233時(shí)間（2）2218141925偏差距離（2）1.11.02.23.02.2恢復(fù)時(shí)間（2）45354時(shí)間（3）1820222326偏差距離（3）1.51.81.91.92.0恢復(fù)時(shí)間（3）44343（2）測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，該風(fēng)力擺控制系統(tǒng)已能達(dá)到基本部分和發(fā)揮部分的全部要求和性能指標(biāo)，由此可以得出以下結(jié)論：1. 風(fēng)機(jī)的性能是決定系統(tǒng)能否完成題目要求的關(guān)鍵，風(fēng)機(jī)性能由其本身決定，包括重量、產(chǎn)生的