电子设计大赛风力摆控制系统论文B解读.docx
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电子设计大赛风力摆控制系统论文B解读
2015年全国大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统(B题)
参赛队号:
2015
2015年8月15日
风力摆控制系统(B题)
【本科组】
摘要
针对题目各项要求,采用软硬件结合方法设计风力摆控制系统。
以STM32单片机为主控制芯片、MPU6050传感器检测摆杆姿态角、利用PID算法调节电机驱动芯片输出合适的PWM波形驱动风机,通过OLED显示屏显示相关参数,按键输入数据等;机械结构满足设计要求,风力摆能够实现画直线、任意角度悬停、画圆等动作,在受外界干扰后能够自动恢复预定姿态。
具有良好的人机交互界面,各参数可动态调整,基本实现风力摆系统的自动控制。
关键词:
风力摆、单片机、姿态角、PID算法
目录
一、系统方案1
1、系统控制方案的论证与选择1
2、控制芯片的论证与选择1
3、电源方案的论证与选择2
4、控制算法的选择2
二、系统理论分析与计算3
1、PID算法的分析3
2、风力摆的角度、加速度计算4
3、电机转速与风力摆控制分析4
三、电路与程序设计4
1、电路的设计4
(1)系统总体框图4
(2)电机驱动电路图5
(3)电源5
2、程序的设计5
(1)程序功能描述与设计思路5
(2)程序流程图6
四、测试方案与测试结果6
1、测试方案6
(1)硬件测试6
(2)硬件软件联和调试6
2、测试条件与仪器7
3、测试结果及分析7
(1)画直固定直线测试7
(2)画不同长度直线测试,如表2所示。
7
(3)画圆测试7
(4)测试分析与结论8
五、结论与心得8
六、参考文献8
附录1:
电路原理图9
附录2:
源程序10
一、系统方案
本系统主要有STM32F103最小系统、电机驱动模块、陀螺仪加速度计传感器MPU6050、轴流风机、显示屏、机械结构、电源模块构成。
通过传感器实时的检测角度,通过PID算法根据角度是单片机输出合适的PWM波形,驱动电机驱动芯片带动轴流风机实现轴流风机转速的变化;轴流风机的注定在摆动轴的底部,有多个风机实现、风力摆的画直线、任意角度控制、围绕中心轴画圆等,在OLED显示屏屏上实现数据参数的实时显示,参数的实时调整。
如图1-1所示。
下面分别论证这几个模块的选择。
图1-1系统方案
1、系统控制方案的论证与选择
方案一:
使用两个轴流风机,简单的两个的轴流风机实现画直线、画圆,两个直流风机的安装要保证能够画圆、所以直流风机的安装不能是同一个轴的方向,要保证有一定的角度,两个风机的转速一个保证偏离固定的角度、另一个保证偏离固定的横滚角度,这种方案得优点是使用的风机个数较少,同时底部风机的质量不太大,只要保证风机的驱动能力,就能够实现基本的要求;但是这种方式对控制算法的要求较高,算法较为复杂,同时也不能保证较好的稳定性,对于要求较复杂的控制,不一定能够实现相应的控制。
方案二:
使用三个直流风机,三个直流风机实现激光笔的画直线、画圆,三个风机轴向夹角互为120度,在画直线时两个轴流风机同时工作,提供足够的风力;在画圆时,开启第三个风机工作,实现自动画圆。
这种方案控制方式同样的较为复杂,使用了三个风机使得系统的质量加重。
但是比较两个风机,系统的稳定性较高。
综合以上两种方案,选择方案二。
2、控制芯片的论证与选择
方案一:
控制芯片在满足系统要求的前提下保证处理效率和高的可靠性、功耗等。
使用51系列单片机作为控制芯片,有着较高的可靠性,能够保证驱动大功率电机时单片机不易损坏,但是51单片机处理的速度较慢,内部可用的资源太少,需要很多的程序来模拟相应的控制资源,比较麻烦。
方案二:
使用STM32F103作为控制芯片,STM32F103单片机属于Cortex-M3系列的MCU,内部的资源较为的丰富,有多个定时器、AD模块等,完全满足系统的要求。
同时STM32的可靠性较高,外部晶振经分频可达72MHZ,有着较高的数据处理能力,同时芯片的功耗较低,完全满足系统对实时性,可靠性、处理速率的要求。
综合以上两种方案,选择方案二。
3、电源方案的论证与选择
方案一:
电源的稳定是保证整个系统正常工作的前提,系统的电源包括控制电路的电源,有5V和3.3V,12V。
选用大功率航模锂电池作为系统的整体电源,12V经过稳压芯片的稳压直接输出符合要求的电源。
将锂电池的电源端口直接接在电机驱动的功耗电压输入端,供给电机。
这种方式电源设计简单,体积小,易于实现;但是这种方式电源直接接在电机上,一旦电源的电压有所下降电机的转速会在统一参数下发生莫名其妙的变化,会对参数产生重大的影响,不能方便的调试参数。
方案二:
采用变压、整流滤波、稳压的方式,输出相应的电压。
220V交流市电经过变压器得到合适的电压,经过整流桥整流成直流电,然后经过RC滤波电路输出较稳定的电压,然后通过稳压芯片7805、1117输出稳定的5V、3.3V电源供给控制电路使用。
电机通过大功率开关电源供给12V电源,这样能够保证电机的工作电压稳定,同时保证了电机对大功率的要求,而且将控制电路的电源和电机的电源分开,保证电源之间不会干扰,保证控制电路不会因电机的大电流工作而烧坏。
综合考虑采用方案二。
4、控制算法的选择
方案一:
模糊控制算法,模糊控制是一种非线性控制,属于智能控制的领域。
模糊控制有许多良好的特性,它不需要事先知道对象的数学模型,具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点,但编程复杂,数据处理量大。
模糊控制是一种基于规则的控制,它直接采用语言型控制规则,出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识,在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型,因而使得控制机理和策略易于接受与理解,设计简单,便于应用。
方案二:
采用PID算法,原理简单,使用方便;适应性强;鲁棒性强,其控制品质对被控对象的变化不太敏感,非常适用于环境恶劣的工业生产现场;PID算法有一套完整的参数整定与设计方法,易于被工程技术人员掌握;许多工业回路中对控制快速性和控制精度要求不是很高,而更重视系统的可靠性时,使用PID控制能获得较高的性价比;长期应用过程中,对PID算法缺陷可以进行改良。
优点是控制精度高,且算法简单明了。
对于本系统的控制已足够精确,节约了单片机的资源,同时减少了运算时间。
综合比较以上两个方案,本系统选择方案二。
二、系统理论分析与计算
1、PID算法的分析
PID控制是将偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Differential)三者通过线性组合构成控制量。
比例调节规律依据“偏差的大小”来动作,它的输出变化量与输人偏差成比例,调节平稳,作用及时,能有效地克服各种干扰,是最基本的调节规律,它的缺点是不能消除余差,因此只能用于那些对被调参数精度要求不高的场合。
常用比例度kp表示比例调节作用的强弱。
kp越小,表示比例增益越大,比例调节作用越强。
同时,kp越小,被调参数余差也越小,但调节系统稳定性下降。
常规的PID控制系统原理框图如图2-1所示。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
图2-1PID模型
PID控制器是一种线性控制器,其控制算法的模拟表达式是:
如图2-2所示。
图2-2PID公式
在本PID调节系统中,比例调节风力摆的转速大小,时转速合适的根据角度来输出,能够使风力摆较好较好较快的保持在某一个固定的角度,它具有反应快、无滞后的特点,能及时克服扰动干扰,使被控参数稳定在给定值附近。
但比例控制不能消除稳态误差,当KP过大时会应引起系统不稳定。
积分控制的作用是,只要系统存在偏差,积分控制作用就不断地积累,输出控制量以消除偏差,因此,只要有足够的时间,积分作用将能完全消除误差,但积分调节动作缓慢,其调节作用总是滞后于偏差信号的变化。
而且,当积分作用太强时,会使系统超调加大,甚至使系统出现震荡。
微分控制可以减小超调量,使系统稳定性提高。
它能反映偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号变得不很大之前,在系统中引入一个有效超前修正信号,提高风力摆系统的稳定性,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。
2、风力摆的角度、加速度计算
风力摆的角度有传感器MPU6050得到,使用到了MPU6050的IIC协议,有单片机的I/O口模拟相关的时序,独处相对应的角度,和加速度,分别得到俯仰角、横滚角和、偏航角;传感器的安装位置保持偏航角的垂直线和风力摆的中心轴同向;这样在摆动过程中就可以有俯仰角测出,摆动的角度大小;单片机得到相应的角度后,由PID相关的算法,合理的调试出三个参数作用在PWM输出合适随时动态的占空比,驱动电机驱动芯片,带动风机高速运转。
3、电机转速与风力摆控制分析
如何实现画直线、画圆等复杂的动作的呢?
再画直线时要求风力摆有较好的线性度,这就要求在安装风机是尽可能的角度准确,在风机合理的合理的作用力产生的合力,从而推动风机作画直线的运动,最开始可以设置一个合理的角度,在垂直状态下,开启一个风机,在风机摆动到对应角度后,立即停止风机的运转,风机靠重力左自由下降的落体运动,同时开启另一侧的电机,使其反方向的吹动,同样摆动到对应角度后,风机停转,这样就基本上实现风力摆的类似自由摆的运动。
三、电路与程序设计
1、电路的设计
(1)系统总体框图
系统总体框图如图3-1所示:
图3-1系统总体图
(2)电机驱动电路图
1.光耦隔离输入端电路图,如图3-2所示。
图3-2光耦电路图
2.驱动芯片电路图,如图3-3所示。
图3-3电机驱动图
(3)电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供5V或者12V电压,确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现,故不作详述。
2、程序的设计
(1)程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
程序上,实现了根据传感器测出的风机姿态角输出合适的PWM波形;由于系统的实时性要求较高,同时还要处理其他的任务,所以采用了定时器中断的方法,定时器中定时输出合适的时间片,根据相应的标志位作出相应的任务计算;定时器的中断时间为1ms。
同时为了方便的调试各种参数,在系统中加入了OLED显示电路,实时的根据传感器显示相关的参数。
同时系统根据按键输入电路,实时的调整相关的参数;实现对风机摆的自由摆的运动、画圆的运动等等。
2、程序设计思路
驱动电机时要求能够实时的调整转速,这就要求输入电机的电压能够实时的变化,根据PWM脉宽调制可知,合理的控制其占空比能够调整电压大小,根据传感器实时的测出倾斜的角度,使用PID算法,对输出两进行精确的控制,实现调整电机转速的调整。
(2)程序流程图
1、主程序流程图
本系统开始时现对相应的硬件进行初始化、开启定时器中断、同时在主函数当中调用OLED显示函数显示相关参数,同时调用按键检测函数,检测按键的键值,根据得到的相关键值对应处理相关的任务;在定时器中断中设置相应的任务处理标志位,在定时器中断服务函数中,调用任务处理函数,这样可以保证系统具有较高的实时性,程序流程图如图3-4所示。
图3-4软件流程图
四、测试方案与测试结果
1、测试方案
(1)硬件测试
在使用各个硬件模块时,先测试是否工作正常,硬件模块包括MCU最小系统,电机驱动模块、传感器检测模块、电源模块等;检测最小系统内时测试是否工作正常,电机驱动测试是否满足风机的功率的要求,传感器保证能够正常的输出相关姿态角,电源模块是整个系统的关键,保证良好的可靠性和稳定性。
(2)硬件软件联和调试
在编写总体的程序之前,在确定各个模块的程序工作正常之后,将各个模块的程序组合起来;调试角度输出时,选用卡尔曼滤波的方法和清华角度、角速度耦合的方法得出稳定的角度输出;在调试PID参数时使用电位器,实时的调
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