一种高精度风力摆控制系统

2022-04-28 17:05:02 | 浏览次数：

摘要：风力摆控制系统主要由单片机STM32F系统控制模块、电机驱动模块、风机姿态采集模块MPU6050、小型轴流风机摆动模块、电源模块、人机交互系统组成。本系统实现了风力摆在仅受直流风机动力在特定时间内完成快速起摆、画线、恢复静止，并能准确画圆，且受风力影响后能够快速恢复画圆状态，具有很好的线性特征。

关键词：PID算法；STM32单片机；L298N驱动；MPU6050；三维角度传感器

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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

现代社会中依靠风力驱动的装置已经越来越普遍，在新能源行业有这广泛的应用，而最常用的是对风力进行自行控制。由于风力摆动具有不稳定性、非线性、时变性的特点，所以风力控制系统则成了风力摆动装置的重要组成部分。

1 设计要求

本课题对技术参数及指标有如下要求：

1）采用锂电池作为供电系统，L298N芯片作为驱动模块，采用MPU6050角度传感器作为角度采集模块，利用STM32F4单片机作为系统控制模块；

2）流风机在15s内做自由摆运动，直线摆动距离不低于50cm，误差小于±2.5cm；

3）从静止状态开始，在15s内完成规定幅度的可控摆动，能够画出长度在300～600mm内，且长度误差效益±2.5cm，且重复性达到要求；

4）摆动方向可手动设定，风力摆可以从静止状态开始，15s内完成预先设置的方向摆动，能够画出大于 20cm 的直线段；

5）手动将风力摆拉起一定角度（30°～45°）并放开，5s 内可以使风力摆通过制动达到静止状态。

2 系统方案论证与选择

2.1风力摆运动模块

方案一：采用两只小型直流风机背面相靠反向的粘在PVC塑料杆上作为动力系统，通过调节两只直流风机的转速来使得风力摆运动。可以直线运动，但是画圆、开启时间15s和5秒内静止比较难实现。

方案二：采用三只小型直流风机围成立体等边三角形。可以直线运动，画圆和5秒内静止相对方案一较为容易实现，但相邻风机夹角过大，转动的方向和风力不易控制，实现难度较高。

方案三：采用四只小型直流风机围成一个没有底面和顶面的正六面体。此方案的风力摆机械结构虽然是最重的，但此时的风力摆的运动最易控制。

综上所述方案三为最佳方案。

2.2风力驱动模块

方案一：选用L298N驱动模块，L298N是ST公司生产的芯片。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V，并且可以同时驱动两个单相电机，可以通过调节电源输入电压来调节输出；并用单片机的I/O口直接提供信号，电路非常简单，使用简便。

方案二：选用BTS7970驱动芯片，它是MOS管集成芯片，电机驱动的频率会影响BTS7971开关损耗功耗。开关损耗越大，芯片越热。该芯片具有驱动功率大，还具有非常好的封装散热的特点，输出速度快，一般用于驱动小车，性能比较优良。

综合以上两种方案，本想BTS7970芯片性能会较好点，但因实验室里有现成的L298N驱动模块，经过实验测试，发现L298N驱动模块运行可靠，取得效果良好，而且电路的电器性能和散热性能较好，而且由于时间有限，此设计模块就选用L298N驱动，选择方案一。

2.3 角度测量方案的选择与论证

方案一：只测量风力摆关于静止状态时的偏移角。本设计使用二维角位移传感器测量风力摆转动时相对静止状态时的偏移角，并对该位移角进行控制，从而实现对轴流风机转速的控制。该方案需用软件处理大量数据，且二维角位移传感器不能准确测量风力摆的空间位置，故不能实现对风力摆运动角度的精确控制。

方案二：采用双轴二倾角式传感器模块LE60OE，通过测量重力加速度，进一步转换为倾角变化，可实现双向测量。改方案具有低功耗、高穩定性、结构简单等优点，控制量响应速度相对较快。它可以较为精确地测量平衡板的水平方向角，即可测量X，Y两个方向，缺点是不能测量Z轴，且控制算法较复杂，软件编程难度较大。

方案三：采用三维空间角度传感器。在设计中，可以利用三维加速度传感器，实时测量风力摆当前的即时角度和运动加速度，再对处采集的角度和加速度数据进行处理，得到风力摆当前姿态，从而实现对风力摆位置的精确控制。

综合对比上述三种方案，充分考虑到传感器的性能和特点优势，决定此系统选择方案三的三维角加速度传感器。

2.4 控制算法的论证

方案一：采用模糊控制算法，可不需要过程的精确数学模型，具有较强的容错能力，系统响应快、失调小等优点，但是数据量过小的模糊控制算法会降低系统的控制精度和动态品质，模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标。

方案二：采用PID控制算法，属于过程控制算法，按偏差的比例、积分、微分的函数关系，进行运算。优点是原理简单，参数可以自动调整且相互独立，控制精度很高，且算法成熟易于实现，适用面广。对于本系统的控制已足够精确，节约了单片机的资源和运算时间。

综合上面的方案的优缺点，最后决定选择方案二。

2.5 电源模块

方案一：使用市电电源并自制线性直流稳压电路。该电路可同时给控制电路和风机供电，方案简单且成本低廉。但风机转动时不仅会给电源造成纹波，并且产生反向高电压致使单片机烧毁。且单电源工作时负载率较大，自身功耗高。

方案二：采用双电源对系统和风机单独供电。风机动力电源和系统控制电源独立设计，电机控制部分用光耦进行隔离。风机使用12V锂电池供电，单片机控制电路则用另一块锂电池，通过线性直流稳压电路供电。此方案兼顾了系统的稳定性和系统对供电的要求。

综合对比的上述两种方案，并充分考虑系统的稳定性、安全性以及良好的控制性能，本设计采用第二种方案。

3 硬件电路设计

3.1硬件设计

通过直流稳压电源输入+12V的电压给L298N驱动模块，驱动直流风机摆动，MPU6050角度传感器采集风力摆的任意时刻姿态角数据，再把数据传送给STM32单片机控制系统，通过人机交互系统下达指令信息完成所需功能。

3.2 系统控制原理

本风力摆系统采用4只12V—0.12A，直径为6cm的小型直流风机为动力驱动系统。姿态角度采集模块是角速度传感器MPU6050芯片，通过不断采集当前风力摆的角度数据信息，将数据传送给系统控制模块STM单片机，单片机通过收集到的数据来处理姿态角信息调节输出PWM的占空比，控制四只风机的工作状态，从而实现对风力摆的控制。

4 控制算法及软件流程

4.1控制算法

本系统采用经典PID算法来控制风机的转速。风机进入工作状态后，角速度采集电路对当前风力摆姿态角进行采集，并和之前的数据不断进行对比，控制风力摆的运动状态不断向平稳过渡，即把风力摆的摆幅精确控制在事先设定的范围内。PID控制器的算法由偏差比例系数P、风机角度误差积分系数I和角度微分D共同组成，属于经典的PID控制器。它具有控制原理简单，易于编程实现，适用范围宽、控制参数互不干扰，参数的整定较为简单等优点。

4.2 程序设计框图

5 设计结论

根据实验测试数据，在15s内激光笔在地面画出的直线段的长度L1，幅度可控的直线的长度L2，特定摆动方向时的长度L3，拉起30度角时达到静止的时间T，由此可以得出以下结论：

1）风力摆从静止状态开始，在15s内可使风力摆控制的激光笔在地面画出一条长度大于50cm的直线段，直线偏差小于±2.5cm；

2）从静止状态开始，可在15s内完成摆幅可控的运动，画出长度为30～60cm的直线段，且长度误差小于±2.5cm，且重复性极佳；

3）可任意设定风力摆的摆动方向，使风力摆从静止状态开始，在15s 内按照预置的方向（角度）运动，可画出大于 200mm 的直线段；

4）手动将风力摆拉至一定的角度（30°～45°）并放开，可在5s 内使风力摆通过制动返回到静止状态。

综上所述，本设计达到设计要求。

参考文献：

[1] 韦建英，徐安静 .模拟电子技术基础[M].2版.武汉：华中科技大学出版社，2013.

[2] 康华光.模拟电子技术基础数字部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2011.

[3] 傅強，杨艳.LaunchPad 口袋实验平台[M].德州仪器中国大学计划，2013.