风力摆控制系统设计报告

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

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，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,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：

u(t)=k p[e(t)+1

T i

∫e(t)dt+T D

d(e(t))

dt

] t

其中，k p为比例放大系数，T i为积分时间常数，T D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T i，T i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T i。

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 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θ。由sin θ=L2L 1,则控制角度θ=arcsin L2

L 1，θ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θ，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： tanθ= F

1F 2，其中F 1为两直流风机在Y 轴方向上的合力，F 2为两直流风机在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。