基于單片機(jī)的風(fēng)力擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岑強(qiáng) 王宇欣

摘 要：風(fēng)力擺是一種通過(guò)風(fēng)機(jī)作為唯一動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的裝置。為了更科學(xué)合理地運(yùn)用風(fēng)力擺，設(shè)計(jì)并制作了一套基于單擺物理模型的實(shí)物系統(tǒng)，為系統(tǒng)預(yù)設(shè)了定角度直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)兩種主要形式。由此提出雙向穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的風(fēng)力擺機(jī)械設(shè)計(jì)模型，由四風(fēng)機(jī)構(gòu)成穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)裝置，以stm15單片機(jī)為控制核心，MPU6050為姿態(tài)傳感器，HMI串口屏實(shí)時(shí)顯示，核心控制模塊的定時(shí)器中斷方式，以閉環(huán)控制減小系統(tǒng)誤差，從而形成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng);PID算法;軌跡控制;IAP 15W4K58S4

1 引言

風(fēng)力擺是一種通過(guò)風(fēng)機(jī)作為唯一動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定軌跡的控制系統(tǒng)，且在風(fēng)力擺啟動(dòng)后不得以任何人為方式影響其運(yùn)動(dòng)。風(fēng)力擺控制系統(tǒng)作為一個(gè)控制裝置，其形象十分直觀，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單;而將其作為一個(gè)被控對(duì)象，它又顯得相當(dāng)復(fù)雜。就本身而言，風(fēng)力擺是一個(gè)穩(wěn)定性隨著時(shí)間與外部環(huán)境變化較為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，所以在對(duì)風(fēng)力擺的控制中必須采取行之有效的方法，它才能穩(wěn)定工作。風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的穩(wěn)定效果十分明顯，對(duì)它的度量可以通過(guò)直接觀測(cè)其響應(yīng)速度、軌跡重合度以及線性誤差來(lái)判斷，一目了然。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)本質(zhì)為一套伺服隨動(dòng)控制系統(tǒng)，以四個(gè)對(duì)稱布置的風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力源，提供風(fēng)力擺在四個(gè)方向的推力。角度傳感器實(shí)時(shí)采集風(fēng)力擺的姿態(tài)。MCU主控單元獲取角度并與目標(biāo)值比較，經(jīng)運(yùn)算后得出控制量，送給風(fēng)機(jī)執(zhí)行，從而完成預(yù)設(shè)的定角度直線擺動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。為調(diào)試方便，系統(tǒng)加入PID調(diào)節(jié)模塊。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1主控單片機(jī)的選型

系統(tǒng)選取STC公司出品的增強(qiáng)型51單片機(jī)工IAP 15W4K58S4作為主控芯片，可受益于ST C公司提供的STC一ISP上位機(jī)輔助軟件，大大提高開發(fā)效率。利用其自帶的6路PWM發(fā)生器中的4路作為四個(gè)電機(jī)的PWM控制;串口2負(fù)責(zé)與MPU6050通信，實(shí)時(shí)采集角度信息;串口3負(fù)責(zé)與USART-HMI串口屏通信，刷新關(guān)鍵參數(shù)的顯示;串口1負(fù)責(zé)與PC上位機(jī)通信，來(lái)在線調(diào)整PID參數(shù)。PID參數(shù)整定完成后，即可關(guān)閉比功能，以減少對(duì)系統(tǒng)的干擾。

3.2姿態(tài)傳感器的選型

姿態(tài)傳感器MPU6050是InvenSense公司推出的一款6軸傳感器模塊，包括三軸加速度，三軸角速度。其體積小巧，用途廣泛。鑒于IAP 15W4K58S4是8位單片機(jī)，運(yùn)算能力有限，而常用的四元數(shù)融合、卡爾曼濾波等姿態(tài)解算方法運(yùn)算量很大，會(huì)占用不小的系統(tǒng)時(shí)間，導(dǎo)致PID控制算法及其它程序的執(zhí)行困難。因此，本系統(tǒng)選用自身帶數(shù)據(jù)融合的姿態(tài)傳感器模塊，通過(guò)串口與主控單片機(jī)通信，輸出角度參數(shù)，應(yīng)用方便，有效減輕了主控單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。

3.3風(fēng)機(jī)的選型

風(fēng)機(jī)選取716空心杯電機(jī)配55mm槳?？招谋姍C(jī)具有高轉(zhuǎn)速，高推重比，較高的頻率響應(yīng)，高機(jī)動(dòng)性速性能好，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可為風(fēng)力擺控制系統(tǒng)提供快速的響應(yīng)和靈活的機(jī)動(dòng)性，且無(wú)需專門的電子調(diào)速器，驅(qū)動(dòng)方便。采用L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，配合PWM技術(shù)，使電機(jī)調(diào)速靈敏精確，且具有很好的線性度。通過(guò)單片機(jī)輸出PWM波很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止等操作。

4 算法設(shè)計(jì)及軟件編程

4.1物理模型的建立

風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)是一種單擺運(yùn)動(dòng)，可以將其理想化為由擺錘和擺線組成。在其擺動(dòng)角度比較小的情況下，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以看作是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

風(fēng)力擺的四個(gè)空心杯電機(jī)控制風(fēng)力擺在互相垂直的兩個(gè)方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，根據(jù)莉薩理論可以方便地控制風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)曲線，使其畫出圓形、直線和橢圓等各種圖形。當(dāng)兩簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的相位差為士90。其他參數(shù)相等時(shí)軌跡為圓形，當(dāng)相位差為0。其他參數(shù)相等時(shí)軌跡為直線。當(dāng)相位差在00到90。的范圍內(nèi)時(shí)，軌跡為橢圓。

4.2正弦函數(shù)的生成

為了使風(fēng)力擺完成幅度可控且可循環(huán)往復(fù)的直線或圓周運(yùn)動(dòng)，需要使風(fēng)機(jī)在X軸和Y軸方向上完成兩個(gè)獨(dú)立的幅值可控的正弦運(yùn)動(dòng)，如此，便需要由軟件產(chǎn)生一個(gè)實(shí)時(shí)的正弦函數(shù)，以此正弦函數(shù)來(lái)控制風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)。

首先需對(duì)運(yùn)動(dòng)的周期進(jìn)行歸一化，人為的設(shè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期T，這個(gè)周期可通過(guò)單擺運(yùn)動(dòng)周期公式粗略計(jì)算作參考;另外通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器每隔5ms進(jìn)行自加一次得到一個(gè)MTC變量，通過(guò)計(jì)算MTC/T的值來(lái)得到實(shí)時(shí)變化的、歸一化的周期，然后把得到的歸一化的周期值與2π相乘轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)弧度值?，2π表示一個(gè)完整的正弦運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

正弦函數(shù)的幅值大小可建立相應(yīng)模型，設(shè)擺動(dòng)過(guò)程中L為擺桿的長(zhǎng)度，R為擺動(dòng)的半徑或擺幅，a為擺桿與鉛錘方向的角度，如此便可得到風(fēng)力擺的最大角度值a，且通過(guò)改變這一角度值即可改變圓周運(yùn)動(dòng)的半徑或直線運(yùn)動(dòng)的幅值。這樣通過(guò)C語(yǔ)言庫(kù)中自帶的sin函數(shù)便可得到一個(gè)與運(yùn)動(dòng)周期、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)幅值有關(guān)的正弦函數(shù)，其中Set_ Value即為實(shí)時(shí)變化的設(shè)定值。

4.3PID算法運(yùn)動(dòng)控制

本系統(tǒng)中采用了位置式PID算法，來(lái)使風(fēng)力擺準(zhǔn)確按預(yù)定軌跡動(dòng)作，并且使系統(tǒng)擁有了良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。PID算法由比例、積分、微分三個(gè)控制環(huán)節(jié)組成。輸人控制量：（t）與反饋量y（t）做差后得到偏差e（t），偏差值經(jīng)過(guò)比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)后，得到輸出值u（t）。

在本系統(tǒng)中，輸人控制量由正弦函數(shù)生成，作為PID算法的目標(biāo)值。MPU6050姿態(tài)傳感器采集的角度值作為反饋量，即當(dāng)前風(fēng)力擺的實(shí)際角度值。將目標(biāo)值與實(shí)際值比較作差，得到偏差角度，將偏差角度經(jīng)過(guò)比例、積分、微分運(yùn)算，得到輸出控制量，即電機(jī)的PWM值，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整風(fēng)力擺在各個(gè)方向上的受力情況，使風(fēng)力擺按照設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)。為了防止輸出控制量過(guò)大或過(guò)小而引起的系統(tǒng)失調(diào)或超調(diào)現(xiàn)象，程序中需要對(duì)輸出控制量進(jìn)行死區(qū)和限幅控制，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4.4程序部分

程序采用c語(yǔ)言編寫，使用Keil uVision C51集成開發(fā)環(huán)境。程序包括對(duì)工IAP 15W4K58S4單片機(jī)相關(guān)外設(shè)的初始化、中斷與串口的配置，同時(shí)將控制算法轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言。

5 結(jié)束語(yǔ)

本風(fēng)力擺控制系統(tǒng)建立了單擺運(yùn)動(dòng)的物理模型，以運(yùn)動(dòng)的合成與分解為主要思想，結(jié)合穩(wěn)定精簡(jiǎn)的硬件平臺(tái)和優(yōu)秀的算法，使風(fēng)力擺實(shí)現(xiàn)了定角度直線擺動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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