风力摆论文报告

风力摆控制系统（B题）

摘要

本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块，液晶显示模块，直流电机，驱动模块以及姿态检测模块构成闭环系统。其中控制模块采用STM32F103为控制芯片，直流电机为执行机构，电子调速器为电机驱动。MPU6050采集风力摆姿态角，MCU处理姿态角数据后通过PID算法调节直流风机以控制风力摆快速画直线、摆角度，恢复静止的功能，并能按照要求画圆，在受风力影响后能够快速恢复画圆状态。另外本系统采用OLED显示屏实现了友善方便的人机交互界面。

关键词：STM32F103 MPU6050 PID算法电子调速器

1系统论证与比较 1.1系统基本方案

本系统主要由主控制模块、姿态检测模块、液晶显示模块，电机驱动模块和悬挂模块四部分组成，实现了风力摆控制系统。系统框图如图1所示。

图1 风力摆控制系统总体框图

1.2姿态检测方案的论证与选择

方案一：倾角传感器。倾角传感器运用牛顿第二定律，根据定律，当倾角传感器静止的时候，由于物体的侧面还有垂直方向是受到其他力的作用，只有重力的作用，也就是说作用在它身上的就只有重力加速度了，所以由此产生的重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角，可以用来测量相对于水平面的倾角变化量，就是我们所说的倾斜角。但是倾角传感器侧重于静态测量，不适合检测运动物体

的角度变化。

方案二：MPU6050。MPU6050六轴传感器集成3轴MEMS 陀螺仪和三轴MEMS 加速度计，每个轴对应有一个16位AD 转换器。正常工作时，陀螺仪和加速度计

主控系统

STM32

电源模块

姿态检测传感器

按键控制

液晶显示

电机驱动模块

风力摆

分别采集X轴，Y轴，Z轴的电压值，然后通过AD转换，转换成数字信号，最后通过I2C总线传送到控制芯片，但此时得到的值不是实际的角度和角速度值，还必须经过一定的比例关系进行转换，才能得到实际的角度和角速度值。该传感器整合了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。在平衡小车，智能型手机，手持型游戏产品，3D遥控器上面应用较为广泛。

综合以上两种方案，选择方案二。

1.3电机驱动的论证与选择

方案一：电调。电调全称电子调速器，电子变速器是有"电流增压"作用,电变内部电路有一套FET管("增压管")..电流输入电子变速器,内部电路接收来自接收机的信号,根据信号,把电流作出合适的增压,然后把"增压"后的大电流输出到马达. 至于控制部分，控制信号是一组方波信号，控制电调在单位时间内开关的次数。并对无刷电机起调速作用。同时电调可为3-4个舵机和接收器供电。

方案二：L298N直流电机驱动。L298N是一款常用的电机驱动芯片，该芯片组成的驱动模块内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载，只需要控制输入IN1，IN2，IN3，IN4的高低电平就可以控制电机方向，控制EN1，EN2就可以控制速度（PWM），但是该模块L298N的输出电流2A，瞬态也只有3A，因此不适合驱动大电流大功率的电机。

综合以上两种方案，考虑到电机驱动的电流较大，选择方案一。

1.4风力摆运动控制方案系统的论证与选择

方案一：使用3个直流风机作为风力摆的动力系统。在搭建风力摆的模型时，三个电机组成一个等边三角形的形状，此时对整个系统做受力分析，系统的合力点位于等边三角形的中心处，此时三个电机受力的力臂均匀，所受的力都位于等边三角形的中位线上，要使风力摆做直线运动，圆周运动规律都比较好控制，只要控制三个电机不同的转速，但是三个电机比较小，摆放在一起，如果三个电机同时运动，产生的气旋会相互影响，不同的速度影响的规律也不一样，此时系统就不容易。

方案二：使用4个直流风机作为动力系统。四个电机以十字架的形状规律摆放，每两路电机分别控制X轴和Y轴的运动，这样搭建起来的系统，可以灵活地控制风力摆系统做直线运动，任意角度运动以及圆周运动。但是电机具有一定的重量，四个电机对系统的稳定性以及摆杆的要求会很高。

综合以上两种方案，考虑到风力摆系统控制的灵活性，采用方案二。

2系统硬件设计及相关分析计算

2.1风力摆的模型分析

风力摆在静止状态时，和静止的倒立摆模型一样，只受到重力和摆杆对它的拉力，系统处于稳定的状态，除非有外力作用于系统打破这种平衡。一旦电机开始运动时，风力摆就开始运动，假设某一时刻，摆杆向左摆到了α度，摆杆要想达到平衡状态，必须产生向右的作用力。此时摆杆的受力状态如图X所示。

图2 摆杆的受力分析

A点为风力摆与旋转臂（万向节）连接处，设此时摆杆收到电机风扇产生的反作用力为F，方向如图所示，此时力F的作用是使摆杆继续向右摆起，因此可以根据此受力分析给电机相反的角加速度。假使摆杆做设置不同长度的直线运动，不同角度运动以及圆周摆时，需要设定角度值赋给MCU控制系统，系统的模型简化为下图所示。

图3 摆的角度分析

摆杆需要摆出多大的长度，多大的角度以及圆周运动都可以设定摆杆的半径，通过公式可以求出设定的角度值，然后把这个角度值赋给PID 算法调节里的角度设定值。

2.2风力摆系统框图

风力摆控制系统中，控制对象风力摆，控制器是电机，主控MCU 输出

不同的PWM ，通过电机驱动模块来控制电机的速度。传感器是MPU6050，角度传感器实时检测摆杆的角度变化，反馈给主控MCU,通过PID 算法来自动调节PWM.控制回路电路图如下所示。

图4 电机控制模块子系统框图

设定角度值

PID 调节

PWM

电机驱动

电机

控制对象 风力摆

摆杆角度检测反馈

一

一

2.3姿态检测模块的设计

2.3.1 姿态检测模块原理

在风力摆姿态检测系统中，MPU6050主要用于检测摆杆倾斜角的变化，其静态响应好，能够准确实时测量摆杆的角度，其输出值围绕某个轴向的旋转角速率，通过角速率对时间积分即可得到角度值。该模块内部有数字运动处理器（DMP），DMP 从陀螺仪、加速度计以及外接的传感器接收并处理数据，处理结果可以从DMP寄存器读出，或通过FIFO 缓冲。DMP 有权使用MPU 的一个外部引脚产生中断。

图5 MPU6050模块

2.3.2 姿态检测子系统电路原理图

MPU6050与主控MCU连接时，I2C总线和24C02、RDA5820共用，实际检测时，只用模块的两个端口，SCL和SDA分别负责时钟通信和数据包的传送。模块电路原理图如下图所示。

图6 MPU6050模块原理图

2.4电源模块的的分析计算

系统的电源模块分为两个部分：考虑到直流电机需要大功率驱动，启动时需要大的电流，采用了开关电源设计，由市电220V输出稳定的12V，5A的电压，同时继续对输出稳压成5V给MCU模块供电。电路图分别如下所示：

图7 开关电源

图8 5V 稳压电路

3算法设计与软件流程图 3.1PID 算法设计

PID 控制是一种简单而又常用的工程控制的控制算法。在控制系统中通过对设定值与反馈值取偏差，然后将偏差的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ）通过线性组合形成控制量，对被控对象进行控制。本系统采用增量式PID 控制对角度的误差量进行比例、积分、微分计算，其结果构成系统的PW M 波占空比控制信号送入电机驱动。首先，控制器将获取的风力摆的角度值与当前设定值比较求出误差，然后对误差量进行PID 算法处理得到一路PWM 占空比，通过电机驱动控制风力摆使其摆到所需角度。

PID 控制相应的控制算法式为：

00(t)

e(t)K (t)d(t)t

e i d

de u K e K u dt

=+++? 0101(t)

[e(t)(t)d(t)]t

p d de K e T u T dt

=+++? （1）

式中u ——控制端输出；

0u ——偏差为零时u 的初值；

e(t)——调节器输入函数，即给定量与输出量的偏差；

p K ——比例增益；

1T ——积分时间常数；

d T ——微分时间常数；

将上式展开，函数可以分为比例控制，积分控制和微分控制三部分。核心控

制其计算公式一般为离散分量，需要对差分方程作出近似处理后改为

(t )d t (j )k

t

e j e T ==∑?

即

(t)(k)e(k 1)

de e dt T

--= 式中 T ——采样周期； K ——采样序号；

e(k 1)-和e(k)分别为第k-1和第k 次控制周期的偏差； 综合以上几个公式，可以得出差分公式为：

001(k){[e(k)(j)[e(k)e(k 1)]]}k

d p j T T u K

e u T T

==++--+∑ （2）

3.2软件流程图 3.2.1主程序流程图

主程序流程图如图11所示

3.2.2风力摆运动子程序流程图

风力摆运动子程序流程图如图12所示。

运动子程序开始读入设定角度读入检测角度

PID算法

计算每个电机调

节策略

控制电机运动

是否运行到设定值

子程序返回

N Y

开始

初始化

显示风力摆控制系读取键值

KEY1按下KEY2按下KEY3按下KEY4按下KEY5按下KEY6按下

画≥50cm直线

画出可设置直线

设置角度摆动

放开保持静止

画半径可设的圆

干扰后做圆周摆Y

Y

Y

Y

Y

Y

N

N

N

N

N

N

N

N

图11 主程序流程图图12运动子系统流程图

4测试方案与测试结果 4.1测试方案

硬件软件联调：调试时，下载线连接单片机，以便程序执行后实时观测控制算法中多个变量，如风力摆角度，方向，电机速度等。 通过独立按键来控制不同的程序，以实现不同的功能。相互功能之间没有干扰。记录下每次实现不同功能的性能指标。

4.2 测试条件与仪器

测试使用的仪器设备如表1所示。

表1 测试使用的仪器设备

序号 名称、型号、规格 数量 备注 1 秒表 1 无 2 风速仪 1 无 3 卷尺

1 无

4 FLUKE 15B 型万用表 1

精度为21

4位

5

量角器

1

精度为s 1001

4.3 测试结果及分析 4.3.1测试结果（数据）

(1)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；

表二 摆出≥50cm 直线

次数 1 2 3 4 5 6 时间（t ） 5s 4s 7s 8s 9s 5s 误差（cm ） 0.8

0.8

1.2

0.9

1.4

1.7

(2)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

表三设置可摆动距离

距离（cm）30 40 50 60

时间(t) 1 2s 5s 11s 8s

2 1.5s 7.5s 9s 9s

3 1.6s 7.2s 9.2s 8s

误差(cm) 1 1 2 3 3

2 1.2 1.8 3.2 3.5

3 0.8 2.

4 2.8 3.3

（3）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；

表四设置角度摆动

角度(°) 0/180 45/135 90/270 135/45 180/0

时间(s) 1 2 23 2.3 28 8

2 1.7 24 1.8 26 6.5

3 1.8 22 1.2 29 7.6

误差1 2.0 5 4 6 5

2 2.1 8 3.8 7.6 4.2

3 1.8 10 4.5 11 4.5

（ 4）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。

表五松开后风力摆保持静止

角度10°20°30°60°180°

时间1 9s 23s 32s 40s 24s

时间2 10s 18s 34s 38s 26s

2．发挥部分

（ 1）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；

表六做半径可设置的圆周摆动

半径（cm）15 20 25 30 35

时间60s 53s 78s 25s 100s

误差（cm） 2 5 4 2

（ 2）在发挥部分（ 1）后继续作圆周运动，在距离风力摆 1~2m 距离内用一台50~60W 台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹 5s 后停止，风力摆静止。

发挥项第二项没有完成任务。

5结论语

本风力摆控制系统以STM32F103为主控MCU，利用MPU6050检测角度、和PWM电机驱动技术，并配合PID调节算法实现了风力摆控制系统的直线运动，规定角度运动圆周运动等功能，且受风力影响后能够快速恢复画圆状态，具有很好的鲁棒性。基本上完成了基础性部分，发挥项只做了第一项，第二项没能完成文物。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计的要求。

从测试结果看来，在采取多项误差校正措施的情况下，特别是加入的局部闭环反馈环节的引入，系统的控制误差明显减小，系统控制精度达到毫米级，响应时间也符合题目要求。

参考文献。

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附录1：电路原理图