1、精選優質文檔-傾情為你奉上2015年全國大學生電子設計競賽風力擺控制系統（B題） 2015年8月15日專心-專注-專業摘 要 本系統采用STM32F103V開發板作為控制中心，與萬向節、擺桿、直流風機（無刷電機+扇葉）、激光頭、反饋裝置一起構成擺桿運動狀態與風機速度分配的雙閉環調速系統。單片機輸出可變的PWM波給電機調速器，控制4個方向上風機的風速，從而產生大小不同的力。利用加速度計模塊MPU6050，準確測出擺桿移動的位置與中心點位置之間的關系，采樣后反饋給單片機，使風機及時矯正，防止脫離運動軌跡。使用指南針模塊判別方向，控制系統向指定方向偏移。控制方式采用PID算法，比例環節進行快速響應，

2、積分環節實現無靜差，微分環節減小超調，加快動態響應。從而使該系統具有良好的性能，能很好地實現自由擺運動、快速制動靜止、畫圓、指定方向偏移，具有很好地穩定性。關鍵詞：STM32F103V、直流風機、MPU6050、PID、指南針GY-273Abstract：This system adopts the STM32F103V development board as the control center, and the universal joint, swinging rod, dc fan (brushless motor + blades), laser, feedback device

3、together form the swinging rod motion state and fan speed distribution of the double closed loop speed regulation system. MCU output variable PWM waves to the motor speed, control four directions wind speed of the fan, to produce different size. Using accelerometer module MPU6050, accurately measure

4、 the position of swinging rod mobile and center position, the relationship between the sampling after feedback to the single chip microcomputer, the fan timely correction, prevent from the trajectory. Use the compass module judging direction, deviation control system to a specified direction. Using

5、PID algorithm control method, proportion link for quick response, integral element to realize astatic, differential link decrease overshoot, speed up the dynamic response. So that the system has good performance, which can well realize the pendulum movement, fast brake static, circle, specify the di

6、rection deviation, has a good stability.Keywords: STM32F103V, dc fan, MPU6050, PID, compass GY - 273 目 錄風力擺控制系統（B題）【本科組】一、系統方案1.1 系統基本方案1.1.1 控制方案設計為了實現題目要求我們采用STM32F103V單片機做為主控芯片，用加速度計陀螺儀模塊MPU6050來計算角度和風機狀態，用直流風機帶動擺桿運動。當MPU6050檢測到擺桿的角度時，可根據三角函數公式計算出擺桿現在距離中心的具體位置（方向、距離），單片機會控制PWM波的輸出大小來控制風機的風速與方向，使擺

7、桿達到在特定位置靜止或按照一定的軌跡運動。當擺桿處于自然下垂狀態時，給四個風機同時上電且風向都向外，此時擺桿仍處于受力平衡靜止狀態。此時降低X軸上一個風機的轉速，擺桿將會帶動激光頭在X軸上畫一條直線，當達到一定的傾斜角度時，單片機可根據角度計算出此時距離中心的距離是否>=25cm，若達到要求后，此風機減速，X軸反方向上電機逐漸加速，恢復到初始速度，反方向做相同的運動。在此過程中，單片機做出A/D采樣，Y軸方向方向風機隨時做出矯正，防止發生軌跡偏移。角度傳感器控制系統框圖如圖1所示。圖1 控制系統框圖 1.1.2 機械結構方案設計由于擺桿長度（60cm70cm）較長，且要求激光頭在地面畫出

8、15cm35cm的圓，所以要求橫桿的距離要足夠長。橫桿長度較長加之擺桿重量較大，所以要求底座要有足夠的重量來支撐整個系統。如果結構不穩或者重量不夠，擺桿運動過程中將會產生傾倒或者抖動等現象，影響測試結果。于是，底座采用了“工”型結構，保證了整個系統的穩定性。擺桿材料方面，我們選用輕便的硬質鐵質材料與風機進行剛性連接，既能保證連接處的穩定，又可達到減輕底座負擔的目的。風機選擇方面，既要保證風力夠大，能夠實現題目基本要求中的自由擺運動、快速制動靜止。又要有一定的重量，質量越大，慣性越大，越不容易改變原來的運動狀態，在實現發揮部分（2）時，受到外界干擾，不容易改變原來的圓周運動狀態機械結構如圖2圖2

9、 機械結構圖1. 底座；2.豎桿；3.橫桿；4.螺栓；5.萬向節；6.擺桿；7.風機（1）；8.風機（2）；9.風機（3）；10.風機（4）1.2 各部分方案選擇與論證1.2.1電機選擇方案一： 采用小型軸流風機（大功率），使用雙滾珠軸承，采用滾動摩擦的形式，軸承中有數顆微小鋼珠圍繞軸心，當扇葉轉動時，鋼珠即跟著轉動。因為都是球體，摩擦力較小，所以轉速較高。能達到8000RMP，同時產生較大的風力。風機內力矩較大，是因為機內繞了大量的銅線，導致重量較大，當4個風機固定到一起時，重量更大，風機產生的風力帶動風機運動困難加大，更難做到題目中按要求運動。另一方面，此風機功率較大，所需電流較大，驅動與

10、供電方面也有很大問題。方案二：采用雙環強磁空心杯電機，內部使用強磁，轉速較高。風力也足夠大，基本能達到要求。但是到題目發揮部分（2）時，面對外界風力干擾時，由于本身重量較輕，極易受到外界干擾，而不容易保持原來狀態。另外，空心杯電機使用3.7V供電，供電電壓較低，單片機控制電機轉速時，空心杯的電壓線性度較小，而不易被精準控制。方案三： 采用無刷電機，風力較大，重量適中，完全能達到題目運動狀態要求，速度控制精確，但須配套電機調速器。綜合考慮，我們選擇方案三。1.2.2 電機驅動的選擇由于上述電機選擇了無刷電機，此驅動只能選擇電機調速器。1.2.3 擺桿與橫桿的連接選擇方案一：擺桿使用粗單股導線直接

11、與橫桿連接，連接簡單且自由度較好，給風機供電等方面都比較容易，但是導線容易產生自旋，風機固定困難也增大，增加了調試難度。方案二：擺桿使用硬質鐵質材料，通過萬向軸與橫桿相連。用此材料強度能夠達到要求，且風機固定容易。硬件搭建合理，配重平衡的前提下，擺桿來回擺動不易發生偏移，可輕松解決基本要求（1），減少了編寫代碼的工作量。綜上考慮，我們選擇方案二，節約時間。1.2.4 擺桿與風機的連接選擇方案一：擺桿與風機之間使用一個直流電機或者舵機連接，這樣可以隨時改變風機的方向，同時可減少風機的數量，控制量減少。但是此方案連接結構較為復雜，發揮部分圓周運動穩定性不高。方案二：擺桿與風機之間采用剛性連接，連接

12、較為簡單，穩定性能較好。綜上考慮，我們選擇方案二。2、 系統理論分析與計算2.1風力擺位置的計算與分析圖3 擺桿擺動示意圖（圖中紅色為MPU6050)通過加速度計陀螺儀模塊MPU6050檢測風力擺擺桿的傾角數據。MPU6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計。可根據三角函數公式，可計算出此時擺桿距離中心位置的距離(見圖3）。內部有一個數字運動處理器DMP。MPU6050和所有設備寄存器之間通信采用400Khz的I2C接口，實現高速通信。測試過程中，MPU6050與單片機之間進行通信，距離較長，走線較多，干擾較大導致讀數不準確，所以在SCL與SDA上拉2K電阻，解決采樣問題。內置卡

13、爾曼濾波器，采用最優化自回歸數據處理算法精確測量風力擺當前姿態角。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別采用了16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量，通過DMP處理器讀取測量數據然后通過串口輸出。1 MPU6050可測量出出1的角度 由圖中可知所以1=2；根據三角函數式 （60cm<L<70cm) 可求出擺桿偏移中心的距d。22 2.2風力擺運動狀態的分析圖4 擺桿角度姿態分析圖基本要求（1）中屬于開環控制系統，激光筆繪制的軌跡超過50cm即可。我們可以設置擺桿傾角超過一個閾值，可通過擺動半徑R（R>=25cm）直接計算出。然后，通過開環調節，從低到高改變風機的風

14、速，直到擺桿的角度超過閾值，記下此時PWM波脈寬級作用時間。要繪制50cm直線，只需R>25cm（R為地面運動軌跡的一半）在平面內運動即可則其中L為擺桿與激光頭的長度，a為激光頭到地面的距離（a<=20cm）基本要求（2）擺動幅度可控，屬于閉環控制系統，公式計算與（1）相同設置直線長度（30cm<<60cm）MPU6050將傾角，角速度送給單片機，單片機控制風機來產生推力使擺桿擺動。2.3控制算法的分析切線方向系統采用PID算法來控制風機轉動的速度，風機開始工作后，MPU6050不斷采集當前擺桿擺腳狀態，并與之前的狀態進行比較，使得擺桿運動狀態趨于穩定。PID算法控制器

15、由4個風機速度分配比例P角度誤差積分I角度微分D組成。圖5 圓周運動分析圖2其輸入e（t）與輸出U（t)關系為：徑向413o他的傳遞函數為：在發揮部分（1）時，要求做圓周運動。四個直流風機1、2、3、4,1和3用來使擺桿與重力方向呈現設置的夾角，2和4用來推動擺桿沿切線方向運動，這樣通過控制1、3電機的PID參數使擺桿達到設定的角度，通過2和4推動擺桿，擺桿就會沿切線運動，繪制圓形軌跡。三、電路與程序設計3.1電路的設計3.1.1風力擺控制系統總電路原理圖見附件13.1.2部分電路詳細原理圖圖7電機驅動（電機調速器）圖6液晶顯示模塊圖10 按鍵模式選擇圖8 按鍵模式選擇部分圖9 聲音提示部分3

16、.1.3電源系統整體采用電腦電源供電，最大可輸出10A電流，無刷電機平均所需電流為2A，電源可滿足需求。12V供給4個并聯電機驅動（電調）帶動風機轉動，5V給單片機供電，單片機自帶穩壓輸出3.3V給MPU6050供電，電機驅動本身也可穩壓輸出5V，給激光頭（5V)供電。此系統中所有電源共地。3.2程序的設計3.2.1程序功能描述與設計思路 1、程序功能描述 系統采用獨立按鍵控制進行模式選擇，設置有7個按鍵，按鍵16分別代表4個基本要求和2個發揮部分。使用12864液晶做顯示模塊，系統開機后進入初始化狀態出現歡迎界面，然后通過按鍵進行模式選擇，執行不同的要求。 2、程序設計思路 基本要求（1）屬

17、于全開環控制，通過粗略控制便可實現，設定傾角閾值，從低到高不斷增加X風機轉速，直到傾角超過閾值，記錄此時PWM脈寬級作用時間。 基本要求（2）需要采用閉環控制算法，計算公式與（1）相同，設定好范圍后，可與（1）使用相同的方法調試。基本要求（3）要采用受力分析，使用力的合成。基本要求（4）拉起一定角度后，如果不提供動力，擺桿將逐漸衰減，但是速度緩慢，因此需要提供與運 動方向相反的力，阻礙擺桿運動。這個過程需要注意，實時采集擺桿的角度（比例項 P），進行 微分從而確定角速度（陀螺儀直接測量亦可），為微分項 D，采用類似于自平衡的 PD 控制算法 即可發揮部分(1)可以明確，徑向風機控制采用 PID

18、 控制算法，使擺桿穩定在某一設定角度，切 線方向控制 2、4電機產生推力，推動擺桿圓周運動。那么，很明顯，關鍵在于如何使擺桿穩 定在某一個角度（認為設定），使用 PID 算法即可，原理類似于基本部分（4），只不過基本部分（4）將豎直方向（重力方向）視為設定值，而發揮部分中是將設定的半徑轉換成的角度視為設 定值。發揮部分（2）這個項目主要是評價發揮部分（1）控制算法的穩定性，無需特別的算法，事實上只要發揮部分（1）做得好，這一部分即可實現。發揮部分（3)使用了指南針模塊，可以確定方向，無論將系統怎么放置，擺桿可始終指向一個指定的方向。3.2.2程序流程圖圖10 程序流程圖1、主程序流程圖 圖11

19、 程序流程圖2、PID算法框圖圖11 PID算法框圖四、測試方案與測試結果4.1測試方案（1） 驅動風機帶動擺桿來回擺動，使激光頭在地面上打出一條大于50cm的直線。記錄由平衡位置到完成劃線要求時所用的時間以及最大偏差距離。重復6次，記錄在表1中。（2） 人為的設定激光頭劃線的長度，從30cm開始測量，記錄到達規定長度所用時間和最大誤差，測量3次，時間取平均值。然后依次記錄40cm、50cm、60cm的數據，記錄在表2中。（3） 人為的設定激光頭劃線的方向，使激光頭在地面上打出一條大于20cm的直線。從 0°直線開始。記錄達到規定長度所用時間和最大誤差，測量3次，時間取平均值。然后依

20、次測量 90°、 180°、270°、360°直線，記錄在表3中。（4） 將擺桿拉倒一定的角度然后放下，驅動風機，記錄擺桿恢復到中心位置所用時間，記錄在表4。（5） 以擺桿靜止時的位置為圓心，設置畫圓半徑，記錄激光頭劃線旋轉3周后所用時間，以及偏差的最大距離，重復3次。然后改變半徑長度，在一次測量，記錄在表5中。（6） 加入外界臺扇干擾后，依次測量記錄恢復到（5）狀態所用時間，記錄在表5中。4.2測試條件與儀器秒表、自制角度測量板、量角器、直尺、示波器、信號源（由于使用無刷電機，使用電調精確控制速度需要信號源產生、示波器測量PWM波的頻率、占空比等）4.

21、3測試結果及分析（1）測試結果 表 1風力擺畫長于 50cm 直線測試第一次測試第二次測試第三次測試第四次測試第五次測試第六次測試時間/S171614131010誤差/cm4.53.82.22.12.32.2表 2風力擺畫不同長度直線測試30cm 直線40cm 直線50cm 直線畫60cm 直線平均時間(s)66.5810.5誤差 11.11.22.61.4誤差 20.91.01.12.5誤差 31.31.30.81.6表 3風力擺畫不同角度直線測試0°直線90°直線180°直線270°直線360°直線平均時間(s)7.06.57.77.510

22、.0誤差 12.01.81.02.11.8誤差 21.61.51.91.61.6誤差 32.21.11.31.41.2 表 4風力擺恢復靜止測試時間（1）時間（2）時間（3）時間（4）時間（5）拉起 30°2.22.52.13.02.4拉起 35°2.93.73.33.72.9拉起 40°3.33.22.93.13.3拉起 45°3.65.13.83.65.5 表 5風力擺畫圓測試半徑 15cm半徑 20cm半徑 25cm半徑 30cm半徑 35cm時間（1）2620222420偏差距離（1）1.92.21.31.62.0恢復時間（1）32233時間（2）2218141925偏差距離（2）1.11.02.23.02.2恢復時間（2）45354時間（3）1820222326偏差距離（3）1.51.81.91.92.0恢復時間（3）44343（2）測試分析與結論根據上述測試數據，該風力擺控制系統已能達到基本部分和發揮部分的全部要求和性能指標，由此可以得出以下結論：1. 風機的性能是決定系統能否完成題目要求的關鍵，風機性能由其本身決定，包括重量、產生的