风力摆控制系统10

2015年全国大学生电子设计竞赛（瑞萨杯）风力摆控制系统（B题）【本科组】小组成员颜廷兴张志豪董墕华学校济南大学学院（中心）自动化与电气工程学院专业电气工程及其自动化赛前指导老师赵华耿欣编号002B132015年8月15日摘要本文论述了简易风力摆控制系统的设计思路和过程，实现了风力摆的精确控制和定位。首先对系统的方案进行论证建立风力摆的数学模型，其次，运用PID控制算法对风力摆系统进行分析。本系统采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机作为系统的主控制器，MPU6050角度采集模块将采集到的电压信号发送至主控芯片，主控芯片经过数据处理，得到风力摆角度值，并在12864液晶和手机APP上显示，再经PID算法处理，产生PWM信号，驱动和控制轴流风机的转速和状态，进而使激光器发出的激光画出指定半径的圆，完成指定动作，之后迅速停止到原点之上。本系统可实现风力摆通过摆动使激光画直线或画圆，在摆杆受外力影响后可迅速恢复到原来状态，并通过键盘输入角度值，控制风力摆达到指定角度，完成划线动作。关键词风力摆；飞思卡尔MC9S12XS128；陀螺仪；PID算法；PWM信号。目录1系统方案111方案比较与选择1111控制器的比较与选择1112角度采集模块的比较与选择1113驱动模块的比较与选择1114显示模块的比较与选择212系统最终方案选择22理论分析与计算221系统总体分析222系统总体框图223风力摆状态测量方案分析224风力摆运动状态分析33硬件电路与软件程序设计431主要电路设计4311MC9S12XS128单片机最小系统4312电机驱动电路设计5313角度采集模块电路设计5314LCD12864显示电路532程序结构设计54测试方案与测试结果641测试仪器642测试方案643测试结果及分析7431测试结果数据7432测试分析与结论75结束语7参考文献8附录19附录211附录3121系统方案11方案比较与选择111控制器的比较与选择方案一采用普通的STC89C52单片机作为控制器，此单片机价格便宜，控制方法简单，但片内集成资源少，功能单一，运行速度相对其他单片机较慢，因本系统外接电路复杂，用该单片机不便于有效控制，且可靠性较低。方案二采用MSP430G2553单片机作为控制器，该单片机是一款16位的、具有精简指令集的、超低功耗单片机，其运行平稳、噪声小、可靠性好。但其外部I/O口引脚只有24个，不满足该题目的要求。方案三采用MC9S12XS128单片机作为控制器，该单片机具有8位8通道的PWM，相邻的两个通道可以级联组成16位的通道，端口AD整合了1个16位通道ATD模块，大部分I/O引脚可由相应的寄存器位来配置选择数据方向、驱动能力，使能上拉或下拉式装置，完全符合系统的要求。结合三种方案，我们采用方案三。112角度采集模块的比较与选择方案一采用ENC03陀螺仪，该陀螺仪是一种应用科氏力原理的传感器，它输出一个和角速度成正比的模拟电压信号，具有特别小的体积和重量、快的响应、低的驱动电压和功耗等优点，但其成本高、控制算法相对复杂。方案二采用WDD35角度传感器，该传感器具有机械寿命长，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的优良性能。功率为2W，机械转角为360，但是其功率较大，不满足低功耗的要求。方案三采用MPU6050模块，它集成了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，MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，符合本系统的要求。结合三种方案，我们采用方案三。113驱动模块的比较与选择方案一L298是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，内部包含4通道逻辑驱动电路，但其输出电流不能超过4A，比较容易发热，有较大的局限性。方案二采用BNT7971驱动模块，该模块具有大电流68AH桥驱动，PWM1,PWM2最高支持15V，但因其电流较大容易烧坏，内部电路较复杂，不容易控制。方案三采用BTS7960驱动模块，BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，驱动电流可达43A，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。具有极好的驱动能力，能够很好的满足题目的要求。结合三种方案，我们采用方案三。114显示模块的比较与选择方案一采用LED数码管显示，数码管显示具有亮度高、夜视效果好等优点，但显示信息量小，且自身功耗较大。方案二采用彩屏液晶，彩屏显示效果优美，可以显示字母、数字、汉字、图像等，但是其成本较高。方案三采用LCD12864液晶显示屏，12864液晶不仅可以显示数字和字母，还可以显示汉字、图像等信息，且控制简单，价格便宜。结合三种方案，我们采用方案三。12系统最终方案选择经过上述的分析与论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下（1）主控制器采用MC9S12XS128主控芯片；（2）角度采集模块采用MPU6050模块；（3）驱动轴流风机采用BST7960驱动模块；（4）显示模块采用LCD12864液晶。2理论分析与计算21系统总体分析该系统利用MC9S12XS128芯片控制并产生PWM信号控制轴流风机的转速，从而实现4个轴流风机的控制，使风力摆绕着万向节完成到指定动作。然后通过MPU6050角度采集模块检测角度值，将输出的数字信号发送至主控芯片，由主控芯片进行PID算法处理，控制风力摆的角度位置，并通过LCD12864液晶显示出来，通过轴流风机的转速变化使风力摆受力改变，画出长度不同的直线和半径不同的圆，并使误差在要求范围内。我们编写手机APP程序，来动态显示不同的角度值，使结果更加直观，方便快捷。22系统总体框图系统总体框图见附录图11。23风力摆状态测量方案分析对于风力摆状态的检测，我们采用MPU6050角度采集模块，该模块能够准确的检测摆杆的运动状态，将数字信号直接发送到主控芯片，能够有效地采集位置信息，不同的数字信号对应不同的角度，以此来判断风力摆所处的位置。风力摆运动所产生的角度数据直接发送给主控制器，使它依据数据变化进一步调控电机旋转，这样减少温漂影响，简化电路，优化控制。控制器的设计是风力摆系统的核心内容，因为风力摆是一个不稳定的系统，为使其保持稳定并且可以承受一定的干扰，需要给系统设计控制算法，目前典型的控制器算法设计理论有PID控制、根轨迹以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论、模糊控制理论等。对于风力摆状态测量的算法，我们采用常规PID调节控制。常规PID控制系统原理框图如图21。图21常规PID控制系统原理框图PID算法是一个闭环控制算法，因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，即具有反馈。PID算法的调节规律包括P控制、PI控制、PD控制。P控制作用及时迅速，只要有偏差就有输出，P调节可以快速消除偏差，但有余差，越大，余差越小。I作用动作缓慢，可大大减小系统余差，故用于系统静差要求较高的系统中，PI作用有P作用迅速和I作用消除静差的特点。PD作用快，输出与偏差的变化速度成正比，可使动态最大偏差大大减小，故有超前作用。PD作用可改善系统动态特性，使最大动态偏差大大减小。具体分析如下（21）21其中，为摆杆的角度差，对应摆杆平衡时的角度值，对应摆杆当前的角度值。（22）其中，为比例调节系数，通过公式可以看出增大可知角度差的作用加强，可加强系统的强硬速度，使摆杆迅速达到直立的状态。（23）10其中，对应摆杆上一次采集到的角度值。为微分调节系数，对应角度的变化值，因此可知，调节可以改善系统的动态性能。（24）把PWM的值给电机即可改变电机的转速，从而使摆杆的角度改变，最终实现摆杆的稳定。24风力摆运动状态分析在忽略空气阻力和各种摩擦力的情况下，在一个平面上，对于风力摆轴流风机的进行受力分析。受力分析如图22。轴流风机的风力（F2）杆的拉力（F拉）轴流风机的风力（F1）轴流风机的重力（MG）万向节图22风力摆轴流风机的受力分析图由受力分析图可知，当轴流风机受力平衡时，可以得到以下方程。在水平方向（25）1拉SIN2在竖直方向（26）拉COS当4个轴流风机组成的整体受力平衡时，摆杆处于静止状态，当改变其中某一个或某几个力时，平衡打破，风力摆就会摆动，通过主控制器控制电机的转速，从而使轴流风机受力不平衡，使风力摆摆动，然后通过PID算法进行控制。3硬件电路与软件程序设计31主要电路设计311MC9S12XS128单片机最小系统MC9S12XS128是一款高性能16位单片机，具有速度快、功能强、成本低、功耗低等特点。特性1）总线速度高达40MHZ；2）128KB程序FLASH和8KBDATAFLASH，用于实现程序和数据存储，均带有错误校正码；3）可配置8位、10位或12位ADC，3S的转换时间；4）内嵌MSCAN模块用于CAN节点应用，内嵌支持LIN协议的增强型SCI模块及SPI模块；5）4通道16位计数器；6）出色的低功耗特性，带有中断唤醒功能的I/0，实现唤醒休眠系统的功能；7）8通道PWM，易于实现电机控制。MC9S12XS128单片机最小系统电路图见附录图12。程序见附录3。312电机驱动电路设计BTS7960芯片是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，驱动电流可达43A，由于电流过大，采用快速光耦6N137和单片机进行了隔离。而且芯片还具有电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTS7960的芯片内部为一个半桥。INH引脚为高电平，使能BTS7960。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN1且INH1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平；IN0且INH1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平。SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。IS引脚是电流检测输出引脚。电机驱动电路如附录图13所示。313角度采集模块电路设计通过MPU6050角度采集模块可以检测轴流风机摆动的角度，MPU6050模块可以直接产生数字信号，并将其发送至主控芯片，从而控制风力摆摆动和定位。MPU6050角度采集模块以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数QUATERNION、欧拉角格式EULERANGLEFORMA的融合演算数据。具有131LSBS/SEC敏感度与全格感测范围为250、500、1000与2000/SEC的3轴角速度感测器陀螺仪。可程式控制，且程式控制范围为2G、4G、8G和16G的3轴加速器。移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。数字运动处理DMPDIGITALMOTIONPROCESSING引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。高达400KHZ快速模式的，或最高至20MHZ的SPI串行主机接口内建频率产生器在所有温度范围FULLTEMPERATURERANGE仅有1频率变化。MPU6050模块的电路如附录图14所示。314LCD12864显示电路通过12864显示模块实时显示角度的大小，方便观察与调节。显示模块电路见附录图15所示。32程序结构设计主程序流程图如图31所示。开始初始化按键模式选择模式一模式二模式三模式四模式五转速控制设置长度设置摆动角度和方向加入摆动干扰PID算法摆直线转速控制摆直线转速控制激光画直线转速控制风力摆静止转速控制激光画圆半径是否达到设定值半径设置结束图31主程序流程图4测试方案与测试结果41测试仪器秒表、数字万用表、量角器、直尺、示波器。42测试方案做出的测试纸片对风力摆的角度进行测量。如图41和图42。（1）测试各个模块的输入输出波形。（2）测试题目要求测试点的供电电压和工作期间的电流值。（3）测试各个模式的角度值是否符合题目要求。模式一设置轴流风机自然下垂为初始状态，从初始状态开始，15秒内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔画出不小于50CM的直线段。模式二从静止开始，15秒内完成幅度可控的摆动，画出3040CM可设置的直线。模式三从初始状态开始，15秒内按照设置的方向，画出不短于20CM的直线段。模式四将风力摆拉起一定角度放开，5秒内使风力摆达到静止状态。模式五从初始状态开始，驱动风力摆画半径可设置的圆。万向节轴流风机图41测试纸片图42风力摆结构示意图43测试结果及分析431测试结果数据测试结果数据见附录2。432测试分析与结论本系统对各个模块都进行了多次测量，测试结果在误差允许的范围内，符合题目要求，取得了较好的效果。5结束语通过这次的参赛，培养了我们团队吃苦耐劳、克服困难的能力，增加了我们的信心，对自身能力来说也是一种质的提高。团队通力合作完成任务，也充分体现了团队合作的重要性。在以后的学习和生活中我们还需继续努力，不断学习，不断改善自己，以创造更好的成绩。同时也加深了同学间的友谊，提高了学生的动手能力、创新能力和思考能力，使得我们受益匪浅。在完成本设计的过程中，我们把注意力主要集中在硬件结构的搭建和软件程序设计上。比赛过程中我们查阅了大量相关资料，学到了很多课本上学不到的东西。参考文献1江晨,王富东旋转式倒立摆系统的算法研究及仿真J工业控制计算机，2010,2352王东亮,刘斌,张曾科环形一级倒立摆摆起及稳定控制研究J微计算机信息测控自动化2007,23213张姝,朱善安环形单级倒立摆起摆控制研究J江南大学学报自然科学版2004,10,354黄智伟全国大学生电子设计竞赛技能训练M北京航空航天大学出版社5康华光电子技术基础M,第五版高等教育出版社,20056马忠梅等单片机的C语言应用程序M北京北京航空航天出版社,20077刘征宇大学生电子设计竞赛指南M福建科技出版社,20098童诗白,华成英模拟电子技术基础M北京高等教育出版社,2007附录1飞思卡尔MC9S12XS128单片机激光器MPU6050模块12864液晶显示模块轴流风机电源模块电机驱动模块风力摆键盘手机APP图11系统总体框图图12MC9S12XS128单片机最小系统电路图图13电机驱动电路图14MPU6050模块电路图15显示模块电路附录2测试次数所需时间S直线段长度CM17848286513735046051表21风力摆做类似自由摆运动并画直线测试次数所需时间S直线段长度CM16740258403754046840表22风力摆做幅度可控摆运并画直线测试次数所需时间S直线段长度（CM）方向角度17820029620903842027049020360表23风力摆做幅度可设置摆运并画直线测试次数所需时间S拉起角度17302853539140411045表24风力摆拉起一定角度并使其制动测试次数所需时间S圆环半径CM121115220725325130424335表25风力摆画半径可设置的圆附录3INCLUDE“DEFINEH“INCLUDE“MATHH“VOIDINITMPU6050VOIDSINGLE_WRITEI2CSLAVEADDRESS_6050,REGISTER55CFG,0X02SINGLE_WRITEI2CSLAVEADDRESS_6050,USER_CTRL,0X00SINGLE_WRITEI2CSLAVEADDRE