一種高精度風(fēng)力擺控制系統(tǒng)

胡雄風(fēng)

摘要：風(fēng)力擺控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)STM32F系統(tǒng)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、風(fēng)機(jī)姿態(tài)采集模塊MPU6050、小型軸流風(fēng)機(jī)擺動(dòng)模塊、電源模塊、人機(jī)交互系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力擺在僅受直流風(fēng)機(jī)動(dòng)力在特定時(shí)間內(nèi)完成快速起擺、畫線、恢復(fù)靜止，并能準(zhǔn)確畫圓，且受風(fēng)力影響后能夠快速恢復(fù)畫圓狀態(tài)，具有很好的線性特征。

關(guān)鍵詞：PID算法；STM32單片機(jī)；L298N驅(qū)動(dòng)；MPU6050；三維角度傳感器

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）05-0190-02

Abstract：This topic is to design control system of wind pendulum， mainly by the STM32F microcontroller ，system control module， motor drive module， acquisition module of fan attitude data ， small axial flow fan oscillating module， power supply module， human-computer interaction system. This system realizes drawing a line， resting again within a specified time by only DC fan power ， and can accurately draw a circle， and fast recovery of the circle after the influence of the wind ，which has a good linear structure.

Key words： PID algorithm； STM32 microcontroller； L298N driver； MPU6050； three-dimensional angle sensor

現(xiàn)代社會(huì)中依靠風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的裝置已經(jīng)越來越普遍，在新能源行業(yè)有這廣泛的應(yīng)用，而最常用的是對(duì)風(fēng)力進(jìn)行自行控制。由于風(fēng)力擺動(dòng)具有不穩(wěn)定性、非線性、時(shí)變性的特點(diǎn)，所以風(fēng)力控制系統(tǒng)則成了風(fēng)力擺動(dòng)裝置的重要組成部分。

1 設(shè)計(jì)要求

本課題對(duì)技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)有如下要求：

1）采用鋰電池作為供電系統(tǒng)，L298N芯片作為驅(qū)動(dòng)模塊，采用MPU6050角度傳感器作為角度采集模塊，利用STM32F4單片機(jī)作為系統(tǒng)控制模塊；

2）流風(fēng)機(jī)在15s內(nèi)做自由擺運(yùn)動(dòng)，直線擺動(dòng)距離不低于50cm，誤差小于±2.5cm；

3）從靜止?fàn)顟B(tài)開始，在15s內(nèi)完成規(guī)定幅度的可控?cái)[動(dòng)，能夠畫出長(zhǎng)度在300～600mm內(nèi)，且長(zhǎng)度誤差效益±2.5cm，且重復(fù)性達(dá)到要求；

4）擺動(dòng)方向可手動(dòng)設(shè)定，風(fēng)力擺可以從靜止?fàn)顟B(tài)開始，15s內(nèi)完成預(yù)先設(shè)置的方向擺動(dòng)，能夠畫出大于 20cm 的直線段；

5）手動(dòng)將風(fēng)力擺拉起一定角度（30°～45°）并放開，5s 內(nèi)可以使風(fēng)力擺通過制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。

2 系統(tǒng)方案論證與選擇

2.1風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)模塊

方案一：采用兩只小型直流風(fēng)機(jī)背面相靠反向的粘在PVC塑料桿上作為動(dòng)力系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)兩只直流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來使得風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)?？梢灾本€運(yùn)動(dòng)，但是畫圓、開啟時(shí)間15s和5秒內(nèi)靜止比較難實(shí)現(xiàn)。

方案二：采用三只小型直流風(fēng)機(jī)圍成立體等邊三角形?？梢灾本€運(yùn)動(dòng)，畫圓和5秒內(nèi)靜止相對(duì)方案一較為容易實(shí)現(xiàn)，但相鄰風(fēng)機(jī)夾角過大，轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和風(fēng)力不易控制，實(shí)現(xiàn)難度較高。

方案三：采用四只小型直流風(fēng)機(jī)圍成一個(gè)沒有底面和頂面的正六面體。此方案的風(fēng)力擺機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然是最重的，但此時(shí)的風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)最易控制。

綜上所述方案三為最佳方案。

2.2風(fēng)力驅(qū)動(dòng)模塊

方案一：選用L298N驅(qū)動(dòng)模塊，L298N是ST公司生產(chǎn)的芯片。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V，并且可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)單相電機(jī)，可以通過調(diào)節(jié)電源輸入電壓來調(diào)節(jié)輸出；并用單片機(jī)的I/O口直接提供信號(hào)，電路非常簡(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)便。

方案二：選用BTS7970驅(qū)動(dòng)芯片，它是MOS管集成芯片，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的頻率會(huì)影響B(tài)TS7971開關(guān)損耗功耗。開關(guān)損耗越大，芯片越熱。該芯片具有驅(qū)動(dòng)功率大，還具有非常好的封裝散熱的特點(diǎn)，輸出速度快，一般用于驅(qū)動(dòng)小車，性能比較優(yōu)良。

綜合以上兩種方案，本想BTS7970芯片性能會(huì)較好點(diǎn)，但因?qū)嶒?yàn)室里有現(xiàn)成的L298N驅(qū)動(dòng)模塊，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)L298N驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)行可靠，取得效果良好，而且電路的電器性能和散熱性能較好，而且由于時(shí)間有限，此設(shè)計(jì)模塊就選用L298N驅(qū)動(dòng)，選擇方案一。

2.3 角度測(cè)量方案的選擇與論證

方案一：只測(cè)量風(fēng)力擺關(guān)于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的偏移角。本設(shè)計(jì)使用二維角位移傳感器測(cè)量風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的偏移角，并對(duì)該位移角進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。該方案需用軟件處理大量數(shù)據(jù)，且二維角位移傳感器不能準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)力擺的空間位置，故不能實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)角度的精確控制。

方案二：采用雙軸二傾角式傳感器模塊LE60OE，通過測(cè)量重力加速度，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為傾角變化，可實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)量。改方案具有低功耗、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，控制量響應(yīng)速度相對(duì)較快。它可以較為精確地測(cè)量平衡板的水平方向角，即可測(cè)量X，Y兩個(gè)方向，缺點(diǎn)是不能測(cè)量Z軸，且控制算法較復(fù)雜，軟件編程難度較大。

方案三：采用三維空間角度傳感器。在設(shè)計(jì)中，可以利用三維加速度傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前的即時(shí)角度和運(yùn)動(dòng)加速度，再對(duì)處采集的角度和加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺位置的精確控制。

綜合對(duì)比上述三種方案，充分考慮到傳感器的性能和特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，決定此系統(tǒng)選擇方案三的三維角加速度傳感器。

2.4 控制算法的論證

方案一：采用模糊控制算法，可不需要過程的精確數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，系統(tǒng)響應(yīng)快、失調(diào)小等優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)據(jù)量過小的模糊控制算法會(huì)降低系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，模糊控制的設(shè)計(jì)尚缺乏系統(tǒng)性，無法定義控制目標(biāo)。

方案二：采用PID控制算法，屬于過程控制算法，按偏差的比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行運(yùn)算。優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，參數(shù)可以自動(dòng)調(diào)整且相互獨(dú)立，控制精度很高，且算法成熟易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣。對(duì)于本系統(tǒng)的控制已足夠精確，節(jié)約了單片機(jī)的資源和運(yùn)算時(shí)間。

綜合上面的方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后決定選擇方案二。

2.5 電源模塊

方案一：使用市電電源并自制線性直流穩(wěn)壓電路。該電路可同時(shí)給控制電路和風(fēng)機(jī)供電，方案簡(jiǎn)單且成本低廉。但風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不僅會(huì)給電源造成紋波，并且產(chǎn)生反向高電壓致使單片機(jī)燒毀。且單電源工作時(shí)負(fù)載率較大，自身功耗高。

方案二：采用雙電源對(duì)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)單獨(dú)供電。風(fēng)機(jī)動(dòng)力電源和系統(tǒng)控制電源獨(dú)立設(shè)計(jì)，電機(jī)控制部分用光耦進(jìn)行隔離。風(fēng)機(jī)使用12V鋰電池供電，單片機(jī)控制電路則用另一塊鋰電池，通過線性直流穩(wěn)壓電路供電。此方案兼顧了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)對(duì)供電的要求。

綜合對(duì)比的上述兩種方案，并充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性以及良好的控制性能，本設(shè)計(jì)采用第二種方案。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)

通過直流穩(wěn)壓電源輸入+12V的電壓給L298N驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流風(fēng)機(jī)擺動(dòng)，MPU6050角度傳感器采集風(fēng)力擺的任意時(shí)刻姿態(tài)角數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)傳送給STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)，通過人機(jī)交互系統(tǒng)下達(dá)指令信息完成所需功能。

3.2 系統(tǒng)控制原理

本風(fēng)力擺系統(tǒng)采用4只12V—0.12A，直徑為6cm的小型直流風(fēng)機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。姿態(tài)角度采集模塊是角速度傳感器MPU6050芯片，通過不斷采集當(dāng)前風(fēng)力擺的角度數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)控制模塊STM單片機(jī)，單片機(jī)通過收集到的數(shù)據(jù)來處理姿態(tài)角信息調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，控制四只風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的控制。

4 控制算法及軟件流程

4.1控制算法

本系統(tǒng)采用經(jīng)典PID算法來控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)后，角速度采集電路對(duì)當(dāng)前風(fēng)力擺姿態(tài)角進(jìn)行采集，并和之前的數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行對(duì)比，控制風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不斷向平穩(wěn)過渡，即把風(fēng)力擺的擺幅精確控制在事先設(shè)定的范圍內(nèi)。PID控制器的算法由偏差比例系數(shù)P、風(fēng)機(jī)角度誤差積分系數(shù)I和角度微分D共同組成，屬于經(jīng)典的PID控制器。它具有控制原理簡(jiǎn)單，易于編程實(shí)現(xiàn)，適用范圍寬、控制參數(shù)互不干擾，參數(shù)的整定較為簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 程序設(shè)計(jì)框圖

5 設(shè)計(jì)結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，在15s內(nèi)激光筆在地面畫出的直線段的長(zhǎng)度L1，幅度可控的直線的長(zhǎng)度L2，特定擺動(dòng)方向時(shí)的長(zhǎng)度L3，拉起30度角時(shí)達(dá)到靜止的時(shí)間T，由此可以得出以下結(jié)論：

1）風(fēng)力擺從靜止?fàn)顟B(tài)開始，在15s內(nèi)可使風(fēng)力擺控制的激光筆在地面畫出一條長(zhǎng)度大于50cm的直線段，直線偏差小于±2.5cm；

2）從靜止?fàn)顟B(tài)開始，可在15s內(nèi)完成擺幅可控的運(yùn)動(dòng)，畫出長(zhǎng)度為30～60cm的直線段，且長(zhǎng)度誤差小于±2.5cm，且重復(fù)性極佳；

3）可任意設(shè)定風(fēng)力擺的擺動(dòng)方向，使風(fēng)力擺從靜止?fàn)顟B(tài)開始，在15s 內(nèi)按照預(yù)置的方向（角度）運(yùn)動(dòng)，可畫出大于 200mm 的直線段；

4）手動(dòng)將風(fēng)力擺拉至一定的角度（30°～45°）并放開，可在5s 內(nèi)使風(fēng)力擺通過制動(dòng)返回到靜止?fàn)顟B(tài)。

綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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