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2.风力摆状态的检测与计算2
3.风力摆运动状态的分析3
4.驱动与控制算法3
(1)电机驱动3
(2)控制算法3
三、电路及程序设计4
1.电路设计4
(1)风机驱动电路设计4
(2)显示模块5
2.程序设计5
四、测试结果与分析6
1.测试仪器6
2.测试方案与结果6
(1)风力摆做自由摆动的测试6
(2)风力摆做幅度可控摆动的测试7
(3)静止状态恢复测试7
3.测试结果分析7
五、总结7
参考文献9
附录A主要元器件清单10
附录B电路原理图11
附录C源程序12
一、系统方案论证与选择
1.系统方案
本系统主要由单片机控制模块、电机驱动模块、角度检测模块、电源模块组成,键盘模块,显示模块组成。
2.方案比较与论证
(1)控制模块的选择与论证
方案一:
采用MSP430单片机
MSP430系列单片机采用精简指令集结构,具有丰富的寻址方式,以及强大的处理能力并且具有超低的功耗。
在运算速度方面,能在8MHz晶体的驱动下,实现125ns的指令周期。
但是所占的指令空间较大,资料也比较少。
方案二:
采用STC89C51单片机
STC89C51单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,各个领域应用广泛。
并且由于芯片引脚少,在硬件很容易实现。
综合上述两种方案,方案二较为简单,可以满足设计要求。
(2)电机驱动模块的论证与选择
采用自搭接的H桥电路
选用大功率达林顿管或场效应管自制H桥电路,电路原理简单,具有高效,低功率等特点,但是性能不够稳定,电路调试复杂
采用L298N电机驱动模块
L298N是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动。
最高工作电压可达46v,内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,采用标准逻辑电平信号控制。
电子开关的速度很快,稳定性也极强。
综合考虑,我们选择方案二。
(3)角度检测模块的论证与选择
采用MPU6050芯片
MPU6050集成了3轴MEMS陀螺仪,3轴MEMS加速度计,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP,可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器。
并且容易上手。
采用WDS35D芯片
WDS35D传感器其测量范围为0°
~360°
,输出电压范围与输入电压有关,输出精度为1mv,测量精度为0.1度,线性度好,长期稳定行好,灵敏度高,可实现对角位移的精确测量。
结合我们自身综合考虑,我们选择方案一。
(4)显示方案的论证与选择
采用LED数码管显示
LED显示具有硬件电路结构简单、调试方便、软件容易实现等优点,但是数码管只能显示简单的数字,显示信息量少,不能够满足此本设计的要求。
采用1602字符液晶
LCD液晶显示具有功耗低、显示内容丰富、清晰、且显示信息量大等优点而得到广泛应用。
综合以上两种方案选择,本设计选择方案二。
二、系统理论分析与计算
1.机械结构的设计
风力摆支架采用木条自行搭建,整体高100cm,臂杆长50cm,摆杆采用长65cm的碳维纤管,并通过万向节固定在臂杆上一端。
摆杆下端悬挂二个直流风机,并在其下端安装一个向下的激光笔。
碳维纤管具有强度高,质量轻,低密度等优点,广泛应用于航模,转轴等机械设备。
符合本设计的要求。
风力摆整体结构如图2.1所示。
摆杆
臂杆
轴流风机
图2.1风力摆结构示意图
2.风力摆状态的检测与计算
采用高精度的角度传感器MPU6050不断采集风力摆姿态角数据。
MPU6050集成了3轴MEMS陀螺仪,3轴MEMS加速器,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP。
MPU6050和所有设备寄存器之间的通信采用400KHz的I2C接口。
实现高速通信。
内置的可编程卡尔曼滤波器,采用最优化自回归数据处理算法精确测量风力摆当前姿态角。
MPU6050对陀螺仪和加速计分别用了三个16位的ADC,将其测量的模拟量转化为可输出的数字量,通过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。
3.风力摆运动状态的分析
风力摆采用4个36W的直流风机为动力驱动系统,角度检测模块采集风力摆姿态角。
然后将采集到的信息传送到单片机,单片机处理姿态角信息调节输出PWM的占空比,进而控制四个电机的工作状态,从而实现对风力摆的控制。
4.驱动与控制算法
(1)电机驱动
对于普通的直流电机,其控制方法比较简单,只需给电机的两根控制线加适当的电压即可使电机转动起来,电压越高则电机转速越高。
对于直流电机的速度调节,可以采用改变电压的方法,也可采用PWM调速方法。
PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式,加在电机两端的电压就在VLoad和0V之间不停的跳变,对应的电机电压波形如图2.4.1所示:
Uo
Th
OV
图2.2PWM调速原理图
此时加在电机两端的平均电压Uo=Th/(Th+Tl)*VLoad,可以通过调整PWM的占空比来改变Th和Tl的比值。
这样就可以通过PWM调节加在电机两端的平均电压,从而改变电机的转速。
(2)控制算法
风力摆的运动是连续运动,摆杆的变化也是连续的渐变过程,因此我们采用PID控制算法。
对直流电机为执行器件的系统中,基本采用增量试PID算法进行控制。
数字PID控制算法是以模拟PID调节器控制为基础的,由于单片机是一种采样控制,只能根据采样时刻的偏差计算控制量。
但是如果采样周期T取得足够小,采样数值计算方法逼近可相当准确,被控过程与连续控制十分接近。
离散化后的PID算式为:
式中:
K:
比例系数,
:
偏差为零时的控制作用,
:
积分时间,
微分时间,T:
采样时间,以上公式称为位置式算法。
有它可推出增量式算法:
式中各系数由反复实践后确定,实验证明,这种控制方式可以加快系统阶跃响应、减小超调量,并具有较高的精度。
三、电路及程序设计
1.电路设计
整个系统分为系统模块、编码器模块、电机驱动模块、电机模块、电源模块、键盘模块、显示模块。
各模块的系统框图如图3.1所示。
控制模块
图3.1系统框图
(1)风机驱动电路设计
L298N是ST公司生产的一种高电压,大电流电机驱动芯片。
该芯片最高工作电压课高达45V,输出电流大,瞬间峰值电流可达到3A,持续工作电流为2A,额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器。
其电路图如图3.1.1.所示。
图3.1.1.电机驱动模块
(2)显示模块
图3.12LCD液晶显示模块
2.程序设计
本系统的软件部分主要有角度测量模块、驱动PWM模块、PID控制模块函数组成,当单片机上电后,进入初始化界面,根据不同的按键,单片机进入不同的工作方式,按照不同的要求工作。
角度检测传感器检测风力摆的姿态,输出电压信号,进而对直流风机控制,使风力摆做不同的摆动。
流程框图如图3.2所示。
图3.2程序框图
四、测试结果与分析
1.测试仪器
测试仪器包括秒表,量角器,米尺,自制方向图纸
2.测试方案与结果
(1)风力摆做自由摆动的测试
从静止开始驱动风力摆,使其做类似自由摆运动,在15秒内使激光笔稳定地在自制方向图纸上画出一条长度不短于50cm的直线其线性度偏差不大于±
2.5cm,并具有较好的重复性。
测试结果如表1所示。
表1风力摆画长于50cm直线测试
测试次数
完成所需时间(t)
偏差
结果
第一次测试
16s
3cm
失败
第二次测试
15s
2.3cm
成功
第三次测试
13s
2cm
(2)风力摆做幅度可控摆动的测试
从静止开始启动风力摆,使其15秒内完场幅度可控的摆动,长度偏差不大于±
2.5cm。
测试结果如表2所示。
表2风力摆做幅度可控的测试
2,1cm
12s
2.4cm
(3)静止状态恢复测试
将风力摆拉起一定角度(30°
~45°
)放开,使其5秒内达到静止。
测试结果如表4所示。
6s
5s
3.测试结果分析
测试结果分析,系统总体上达到较好的性能,完成了赛题要求的部分功能。
但是在测试过程中,在直流风机自身的重力及较弱风力的影响下,对于部分基本功能没有能够很好的完成,直流风机驱动设计上存在部分缺陷,驱动力不足,使风力摆在部分基本功能上没有很好地完成要求。
如资金充足
五、总结
风力摆是一种复杂、时变、非线性、自然不稳定的高阶系统,许多抽象的控制理念概论都可以通过风力摆直观的直观的表现出来。
本设计通过分析控制器的基本原理,结合风力摆系统实际参数,然后通过控制理论设计控制器。
采用PID控制算法对直流风机调速,进而控制风力摆的运动姿态,使其达到所需要的要求。
在本设计中遇到的最大问题就是驱动不足,之前考虑过多种方案,但由于时间紧,任务重,系统还有一些功能未能实现,比如摆杆做类似圆周运动。
若经改进,相信性能还会有进一步的提升。
本次四天三夜的竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力,虽然在结果上没能达到预想中的程度,但总体上成功与挫折交替,困难与希望并存。
我们会继续努力争取更大的进去,在此路上走的更远。
参考文献
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清华大学出版社.2012
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[4]郭天祥主编.51单片机C语言教程[M].电子工业出版社.2008
[5]王宜怀、吴瑾、蒋银珍编著.单片机原理与应用[M].电子工业出版社.2005
[6]蒋焕文,孙续.电子测量[M].3版.北京:
中国计量出版社,2008
[7]蔡惟铮.集成电子技术.北京:
高等教育出版社,2004
[8]李立功,等.现代电子测量计数[M].2版.北京:
国防工业出版社,2008
[9]辛晓宁
王晓旭.PWM调制的设计与实现[J].电子设计工程2013,2(4):
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[10]高吉祥,唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程(电子仪器仪表设计)[M].北京:
电子工业出版社,2007
附录A主要元器件清单
序号
元器件名称
型号
规格
数量
1
电阻
50Ω
个
10
2
100Ω
3
100KΩ
4
- 配套讲稿:
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