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风力摆系统摘要风力摆系统是一种利用风力对物体进行位置控制的设备，在我国虽然还没有成品的销售与应用，但这种控制理论已经应用于方方面面。目前的普遍问题风力摆系统的自动控制水平不高。本设计将设计一款智能的风力摆控制系统。主要控制程序由STM32来实现。通过三轴陀螺仪进行角度采集，采集过来的角度值在进行卡尔曼滤波处理，最后将其应用到风力摆系统的控制程序中。主要实现对风力摆进行偏角的收集和计算、控制其运动轨迹，包括其角加速度的控制。风力摆所控制的系统会对各传感器测得的数据进行处理和计算，使对应的设备器件得到有效的、良好的控制，从而使得系统能安全有效地运行。本设计主控制器利用STM32作为开发硬件系统。它能够对系统进行良好的操控，包括控制与监测风力摆的运动状态、角度值、加速度和平衡参数。轴部是通过万向节连接的，整体运动自如是通过它来实现。系统整体架构清晰，便于操控。关键词:风力摆;STM32;陀螺仪;卡尔曼滤波AbstractWindpendulumsystemisakindofmicrocontrolequipment,thoughnotyetfinishedproductsalesandapplicationinourcountry,butthiskindofcontroltheoryhasbeenusedineveryaspect.Atpresentthecommonproblemsofwindpowersystemautomaticcontrollevelisnothigh.Thisdesignwilldesignaintelligentwindpendulumcontrolsystem.Themaincontrolprogramimplementedbythestm32.AcquisitionthroughthetriaxialgyroAngle,theAngleofthecollectedvaluesinthekalmanfilterprocessing,theAnglevalueshavebeenobtainedthroughcomparingtheAnglevaluesbeforeandafterjudgmentaftertheoscillationamplitude,windpendulumswingwillneedthesizeoftheforceisconvertedintoPWMvalue,thenoutputtothemotordrive,ofcourse,whenthemotortodrivetheoutputtoneedtoaddtheprotectionlightcouplingforphotoelectricisolation.Controlsystemtoprocessthedataofeachsensormeasurementandcalculation,thecorrespondingequipmentdeviceeffectively,goodcontrol,thesystemcanrunsafelyandeffectively.ThisdesignusesSTM32asmaincontrollerhardwaresystemdevelopment.Itcancarryonthegoodcontrolofthesystem,includingthecontrolandmonitoringwindpendulummotionstate,Angle,acceleration,andbalanceparameters.Axisisthroughuniversaljointconnection,andtheoverallfreelyistoachievethroughit.Overallsystemstructureclear,easytocontrol.Keywords:STM32,microwindpendulumcontrollightcouplinggyroscopeContents TOC o 1-3 h z u 摘要IIAbstractIIICONTENTSVI第1章绪论81.1课题背景81.2课题的来源91.3课题的国内外现状91.4本课题研究的内容10第2章总体方案的设计112.1系统功能、要求及原理分析122.1.1设计任务122.1.2系统机械结构122.2控制方式选择132.2.1角度测量方案的论证与选择132.2.2直流风机驱动模块的论证与选择142.2.3控制系统的论证与选择142.2.4风力摆运动控制方案的选择与论证152.2.5电源方案的论证与选择152.2.6电机速度控制162.2.7控制算法的选择162.2.8理论分析与计算162.3控制系统方案17第3章风力摆控制系统硬件设计173.1芯片选用183.2控制流程图203.3角度采集控制设计203.4程序滤波设计223.5光电隔离设计223.6系统主电路设计243.7电机控制设计243.8电源以及稳压模块设计273.8.1LM2596S电源模块273.8.2LM7805稳压芯片及应用电路28第4章控制系统程序设计294.1程序需求304.2主程序流程图304.3控制程序流程图304.4PWM输出设计314.4.1Pwm构成314.5PID及其应用344.5.1模拟PID控制规律及实现方法354.5.2数字PID控制364.5.3增量式PID374.5.4PID参数整定374.5.5PID控制分析384.6圆形轨迹摆动控制39致谢40参考文献41CONTENTS TOC o 1-3 h z u AbstractI摘要IIAbstractIIICONTENTSVI第1章绪论81.1课题背景81.2课题的来源91.3课题的国内外现状91.4本课题研究的内容10第2章总体方案的设计112.1系统功能、要求及原理分析122.1.1设计任务122.1.2系统机械结构122.2控制方式选择132.2.1角度测量方案的论证与选择132.2.2直流风机驱动模块的论证与选择142.2.3控制系统的论证与选择142.2.4风力摆运动控制方案的选择与论证152.2.5电源方案的论证与选择152.2.6电机速度控制162.2.7控制算法的选择162.2.8理论分析与计算162.3控制系统方案17第3章风力摆控制系统硬件设计173.1芯片选用183.2控制流程图203.3角度采集控制设计203.4程序滤波设计223.5光电隔离设计223.6系统主电路设计243.7电机控制设计243.8电源以及稳压模块设计273.8.1LM2596S电源模块273.8.2LM7805稳压芯片及应用电路28第4章控制系统程序设计294.1程序需求304.2主程序流程图304.3控制程序流程图304.4PWM输出设计314.4.1Pwm构成314.5PID及其应用344.5.1模拟PID控制规律及实现方法354.5.2数字PID控制364.5.3增量式PID374.5.4PID参数整定374.5.5PID控制分析384.6圆形轨迹摆动控制39致谢40参考文献41绪论课题背景风力在能源方面的应用最早可追溯到古代世纪初，那时人们利用风吹动帆，在海上驾驭大型船只。而后，有衍生出很多有关风的应用。如那时候人们发明出风车，用风车带动下方连接的磨盘来研磨各种豆类。而这么精妙的结构只不过是风力的一个简单的应用而已。对我们而言，一提到风力的应用，我们首先就会想到风车，风筝，风力发电等。而这些我们所提到的东西都是利用自然风去影响或者改变其他事物，将风转化成另外一种形式的能。多用到的多半是自然风。而我们这一课题则利用的是另外一种形式，即产生风后，利用风对空气的压力或推力对物体的位置进行控制。这个理论听起来简单，实际却并不是特别容易。举几个简单的例子：直升机，利用发动机带动螺旋桨产生风力，这种风力带动周围的空气对某一方向的空气进行挤压，从而产生反作用力作用回螺旋桨。从而带动飞机，使其能够自由升降和飞行。这一控制理论极为复杂，因为各种环境因素众多，系统有着非线性、多变性等特点。而正因为如此，其应用前景也相当之大，就飞行器来说，这一理论的研究有着极为重要的意义。而我国，更是对它有着众多的需求，其人才缺口在近几年也是比较大的。空气动力学、传动与控制理论、都叙述了其在控制领域的地位与发展。对这一学科的探索，应该寻觅到人对弹药和生物在飞行时的所受到的力各种设想。到了17世纪的中期， HYPERLINK /doc/1427150.html t /doc/_blank 芬兰的一名学者名叫惠斯首先算出了物体在空气中运动时所受到的阻碍力。由此可见，风力在人们的生活中无处不在，与人们的日常生活息息相关。对其研究的进一步深入，将有助于提升我国的综合国力，为中华航天事业乃至空气动力学添砖加瓦使我们责无旁贷的义务。课题的来源此设计的灵感来源于2015年的全国大学生电子设计大赛，组委会为不同类型的电类学科出了不同的考题，而其中B组题就是风力摆控制系统，大赛对这一系统的构架与功能提出了诸多要求，有难有易，对整个系统也提出了一个大致的框架，也给出了几点建议。就大赛而言，主要考察学生的综合能，包括完成速度、反应能力、抗压能力与应对问题的能力，所以说题目的含金量也是很大的。这一题目如果想要较好的被完成，学生们需要掌握很多相关专业知识和一些物理方面的知识，同时对流体力学、空气动力学都应该有一定的了解和领悟。就现如今的科研水平来讲，风力摆的应用还是相当广泛的。除飞机、航天器材方面的应用外，平衡力学也需要应用风力摆的控制原理。如在一些高楼大厦上用绳子垂吊着擦玻璃的空中飞人们，需要在移动高度上保持平衡才能更好地进行工作，但遇到有风的天气，就会极大增加工作难度，甚至还会提高危险系数，因为在空中随风摇摆对他们而言可能是致命的。这就需要一种风力控制系统在来风的时候对偏移角度进行分析和运算，得到与之相抵消的力再通过控制风扇将其抵消。这样就会大大增加工人们的安全保障。而这只是风力摆控制系统的一个小方面的应用。更多更广的应用有待一代又一代的技术工作者们继续将其挖掘。很长时间以来，人们对风力操作控制在国家经济生产中的地位认识不够深刻，资金投入较少，风力控制设备控制精度不高，有的还停留在手工经验水平上，我国风力控制技术的发展仅相当于发达国家的70%左右。我国的基本国情和发展现状决定了在未来的段时间里我国将继续深入研究风力控制与控制技术，在短时间内使其提高，达到西方国家水平。仅科研前景而言，对于国家的可持续发展将有巨大的推动作用。随着科学技术飞速发展，STM32微处理器控制方式被许多控制系统采用。在包罗万象的科技中，其主要应用于对一些算法的处理，包括PID算法、卡尔曼算法以及一些复杂数据结构的搭建。课题的国内外现状风力摆是一种较为新型的控制设备，在国内也是刚刚起步，而在外国，已经出现了类似结构原理的机械设备并应用于工业和监测行业中。现在环境问题已经成为当今社会的一个巨大的问题。所以提高环境检测精度和速度已经成为了一个值得探讨与研究的问题。在西方发达国家，风力摆系统已经应用如一定范围内气体分布的抽样检测，将传感器悬挂于风力摆之上，当想要检测一定范围内的空气组成成分时将位置通过运算转换成风机的转速，与外接传感器形成闭环控制，较好的检测出不同位置的空气质量，从而对环境有更为确切的了解。采用了包括自动寻找最优路径、定位控制等多种控制方法，增加其稳定度。这也表明了我国风力摆微控制技术的相对较弱。因此，我国迫切需要一些对高精确度控制系统的实际研究与应用。随着科学技术与电子信息产业的迅猛发展，风力控制嫣然已经成为了当今时代的主流和热门话题。随着国内外电子科技的不断更新，风力控制所涉及到的领域也越来越广泛起来。而且利用风力控制所制造出来的产品，更多的流入了市场，更多的进入了千家万户。进入到了我们的实现生活中。而这其中，风力控制也已经在市场上占有了很大的份额。在国内利用风力摆原理对电机进行精确控制，我们的四旋翼飞行器才能更加的平稳。有的城市中有向日太阳能板，也是通过对信息的采集、分析，判断太阳方向，从而根据其数据控制电机定向定量改变太阳能板的角度，达到最大储能。从而更好地为路灯进行供电，为夜晚的交通安全提供了有力保障。这样的例子在国内外还有很多很多，应用前景都非常广泛。如飞行器材，雷达的灵活运转等。而相比之下，国内的研究也进行的如火如荼，难分伯仲。21世纪，我国的科技发展还处于发展中阶段，随着综合国力的不断提升，我国的科技水平也突飞猛进，相信在不久的将来，我国的风力控制技术能居于世界前列甚至举世无双。本课题研究的内容根据国内实际情况，本设计的主要目标是：设计一款智能风力摆系统，降低工人劳动量，并提高同类测试、信息采集装置控制方案。本课题研究的主要内容包括以下几个方面：了解风力摆的主要功能及控制系统的设计方法：首先，我们需要一个宏观的对整体功能的把握，所完成的功能需要在我所学的知识储备范围内。在这其中，我需要对其整体进行细致的分析，包括如何实现控制风扇带动风力摆使其运动轨迹由我们自行控制，计算出最优路径；将不同摆动轨迹分门别类，我们自行研究与修改。对风力摆控制进行数学分析并选择合理的控制方式：在确定其功能的前提下，对所完成任务的语法、语句进行考究，包括选用何种连接方式、何种循环语句、何种嵌套模式与滤波补偿等等。对该设备的电控系统的硬件部分进行设计：包括系统主电路和控制元件的型号参数选择，对整个系统的稳定性进行评估，找出影响其稳定性最重要的因素，将其击破，同时考虑各个元器件之间的兼容性，例如主控芯片的驱动电平信号会不会过高导致主控芯片被烧毁，其大电流电路的信号与控制信号是否被连接在了一起。对风力摆控制系统的整体结构进行分析。这一项包括对风力摆整体的物理结构进行一个全方位的分析。其中最主要的是受力分析，整个框架需要有足够高的稳定性，这就需要对其运动轨迹、运动方式有一个初步的估算，以此确保在任何运动形式下，整个系统都能稳固。而后还需要对结构的连接点进行确认，因为在系统运行过程中存在不可消除的震动，这一震动对系统的整个运行有一定的影响，所以在必要的时候要对其连接处进行加固和减震处理。总体方案的设计系统功能、要求及原理分析设计任务设计并制作一长约6070cm的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组（24只）直流风机，构成一个风力摆。风力摆上安装一个向下的激光笔，静止时，激光笔的下端距地面不超过20cm。设计一个测控系统，控制各风机使风力摆按照一定规律运动，激光笔在地面画出要求的轨迹。设计要求（1）从静止开始，15s内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段，其线性度偏差不大于2.5cm，并且具有较好的重复性；（2）从静止开始，15s内完成幅度可控的摆动，画出长度在3060cm间可设置，长度偏差不大于2.5cm的直线段，并且具有较好的重复性；（3）可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20cm的直线段；（4）将风力摆拉起一定角度（3045）放开，5s内使风力摆制动达到静止状态；（5）以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s内需重复3次；圆半径可在1535cm范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径2.5cm的圆环内1。结构示意图如图2-1-1。图2-1-1风力摆结构示意图系统机械结构本系统的外部结构采用三角梁结构，万向节固定在其顶部伸出的臂杆上，自由摆杆选取碳杆为材料，与万向节嵌套在一起，自由摆的状态是垂直向下。在自由摆杆的下方把三个空心杯电机互成120角分布，使得风向分别朝向前、左后方、右后方。摆杆选取碳杆是因为碳杆的强度较大，质量较轻，这样可以大大减小风力摆的负担，便于快速，陀螺仪平放在轴流风机的上方，很好地监测风力摆运动状态。同时把激光笔安装在自由摆下方垂直向下。控制方式选择本系统要求能够精确控制各风机使风力摆按照一定规律运动，故使用陀螺仪传感器、直流风机驱动模块、STM32单片机等模块实现符合系统要求的设计，下面分别论证对于这几个模块的选择。角度测量方案的论证与选择方案一：选用双轴倾角传感器模块LE60OEM，测量重力加速度变化，转为倾角变化，可测量双向。具有稳定性高、低功耗、结构简单等优点。响应速度为5Hz。它可以测量平衡板与水平方向的夹角，x，y方向可以测，但z轴不可测。且操作复杂，软件处理难度大。方案二：采用陀螺仪MPU6050模块，MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。并且以串口模式向MCU输出MPU6050的测量数据。经过软件滤波后可以得到较为精准的测量值。此方案优点是该模块体积小，无需复杂的机械结构辅助。且与MUC连接仅需要2个I/O口1。方案三：三轴陀螺仪BDZT664。可以根据需求选择匹配的参数。它可以测量倾斜检测应用中的静态重力加速度，以及运动、冲击或振动导致的动态加速度。X轴和Y轴的带宽范围为0.5Hz至1600Hz，z轴的带宽范围为0.5Hz至550Hz。但是其测量动态加速度时的存在较大偏差，并且由于本系统摆杆是在一个三维平面内转动，仅靠三个方向加速度来确定PID控制参数较麻烦。基于上述理论分析和实际情况，故采用方案二。直流风机驱动模块的论证与选择方案一：采用L298N芯片构成的驱动模块，L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，采用标准逻辑电平信号控制。此方案可以通过PWM信号控制输出电压，但是持续工作电流为2A，无法满足大电流风机的需求。方案二：采用双BTN7971构成H桥的驱动模块，BTN7971芯片是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，最高工作电压为24V，驱动电流最高为70A。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。此方案优点是驱动模块工作频率高，响应时间短，能够在较短的时间里快速调节风机转速。基于上述理论分析和实际情况，故采用方案一1。控制系统的论证与选择方案一：采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，STC12C5A60S2是一款增强型51内核的8位单片机，与传统51单片机相比具有程序执行速度较快、A/D数据处理便捷、PWM输出方便等优点，但是其仅仅集成两路外部中断和三路定时器，对外部输入信号的处理能力略显不足。方案二：选择STM32单片机。其全部10口都可以作为中断输入，而不需要接到特定的几个脚上，极大的方便了原理图和PCB的设计。STM32支持SWD调试，只需要2跟IO线，就可以完成调试和代码下载，对引脚不多的型号尤其适用。STM32单片机具有硬件SPI模块，可以直接读取触屏控制寄存器。STM32最高时钟频率达到72M,使用STM32会使程序运行更高效。同时它内置震荡电路，不外加晶振也可以工作。方案三：选择AVR系列芯片。它的长处就是速度快、低功耗、稳定。以时钟周期为指令周期，实行流水作业，AVR的专用寄存器集中在003F地址区间，使用起来比PIC方便，逻辑运算速度快。但是其还是存在一定的缺陷，如I/O口叫其他芯片少。本系统控制算法涉及单闭环，需要采集陀螺仪的实时信号，并且多通道输出PWM调制，为保证输入信号和输出控制快速与精确地处理，根据实用、高效的原则，综合比较以上两种方案，故采用方案二。风力摆运动控制方案的选择与论证方案一：选用一对电机作为动力原。将两个电机背向而立，分立与风力摆下方两边，控制电机转速和不同时刻的差量来控制风力摆轨迹呈直线。此方案风力摆负载轻，但风力摆摆动过程中状态微调和快速静止不易实现。方案二：选用三个电机作为动力源。将三个电机背向而置，每个电机与其他电机的夹角都为120度。这种做法与方案一相比在控制风力摆姿态调整方面有所加强。在完成任意角度时能更加精确，无需借助三角函数计算，而在画圆时不同位置PWM比例更加容易调节。方案三：选用四个电机作为动力源。将四个电机背对背放置，形成四边形，控制每一个电机的速度就能控制整个风力摆的摆动角度。此方案风力摆负载最重，若不控制好重量，会造成动力最足，而且角度有所限制，不方便换算。综合上述比较，考虑系统的快速工作以及精确控制，本系统采用方案二。电源方案的论证与选择方案一：使用单电源供电。这一电源将电能分别发送给电机部分和核心控制板部分，操作简单。话说回来，空心杯电机转动会给回路带来波动，如果产生回流会给主电路造成致命伤害。方案二：使用双电源。空心杯电路和主控电路分隔开，这两部分的电分着发送，而且空心杯和驱动部分利用光耦。空心杯使用18V3.3V可控电源模块供电，主控制核心电路控制系统用另一个电源供电。此方案可确保系统的稳定性，且满足了系统对供电需求。综合上述比较，考虑系统的安全性、稳定性，本系统采用方案二。电机速度控制方案一：采用D/A变换电路将数字量转换成控制电机电压的模拟量。再利用电平的高低达到调速的目的。利用数字信号控制模拟信号。价格较贵。方案二：采用PWM调制方式，从I/O口输出不同占空比波，经滤波后获得不同高度的电平控制空心杯。本方案可以达到对速度的控制要求，且控制简单易实现。将上述两种方法进行对比，我发现两种方式有着很大的不同，前者将数字量和模拟量进行互换。但是精度跟不上，后者相比较前者显然更好完成。所以选用方案二。控制算法的选择方案一：利用模糊算法。具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点，此算法对于复杂的、多变量的和难以正确描述到系统的动态有着良好的作用，系统的风机由于速度反馈的频率太低，导致了电机的速度误差的不确定性，符合模糊控制范畴，但是其算法编程复杂，数据处理量大。方案二：采用PID算法，PID算法代码实现简单，调速性能优良。但是由于轴流风机的响应速度慢，如何使风摆在空中快速的实现平衡摆动，并做出符合要求的圆周运动成为一个难点，我们初步对风摆的模型进行简单的数学物理建模。通过陀螺仪返回的数据进行分析处理，结合速度反馈环和MPU6050位置环进行两级反馈闭环PID控制，并运用统计学原理，对PID参数进行进一步确定。优点是控制精度高,简明扼要。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。理论分析与计算风力摆在摆动的过程中，包含了诸多的非线性特性，不仅要求风力摆起摆速度快，而且还要考虑线性度特性。顾名思义风力摆要摆初规定的角度值，只对一个空心杯电机进行风速控制，可以让风力摆摆动起来，但是在要求快速起摆时，会出现很大的偏差，通过陀螺仪的反馈量调节风力摆的偏差形成闭环控制，可以满足系统要求。控制系统方案采用3个直流风机作为动力，3个风机在3个方向相背而放，互成180度角。通过控制风机的转速及工作状态来控制风力摆的运动轨迹。采用以增强型ARM为内核的STM32系列单片机，控制两个L298N模块，从而驱动空心杯电机，用STM32控制L298N的输入，其工作在占空比可调的开关状态，精确调整风机转速。电路设计简单，抗干扰能力强、可靠性好。采用双电源供电。风机驱动电源与控制电源分开。整个系统可以驱动各空心杯，使风力摆照一定的规律和频率摆动，同时，被安放在风力摆下面的激光笔在地面上画出相应的轨迹。该系统是一个典型的运动控制系统，系统应该包括检测部分、控制部分、执行部分、人机交互部分组成。其中检测部分主要为摆杆摆动角度的检测，即所谓的角速度传感器模块；将检测到的角度信息送到控制单元进行AD转换与数据处理后形成控制命令发送至执行单元；执行部分主要完成对直流风机转速的调整来控制风速的大小。系统中还加入了人机互交模块，有键盘输入、液晶显示输出使系统更加人性化，更易于操作。下面分别论证主控、角度传感、风力摆、电源和人机交互等模块的选择。风力摆控制系统硬件设计芯片选用芯片是计算机的核心，因此它也是风力摆系统的核心。它按照系统程序赋予的功能完成的主要任务是：1.接纳和处理编程人员以及使用者所输入的数据；2.检验编译过程中语法的错误，诊断电源及系统内部的工作故障；3.用扫描方式工作，接收来各采集器的输入信号，并输入数据存储器当中；4.在进入运行模式后，从设备里读出数据并执行所编写的程序，完成用户程序所设定的运算以及数据处理等操作；5.根据运算所得出的数据，更新相关状态，重置输出寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制等功能。我们已经确定使用STM32系列单片机，但幸好不同功能也不同。内存包括64KB到256KB闪存和20KB到64KB嵌入式SRAM。截至2010年7月1日，市面流通的型号有:基本型:STM32F101R6、STM32F101C8、STM32F101R8、STM32F101V8、STM32F101RB、STM32F101VB增强型:STM32F103C8、STM32F103R8、STM32F103V8、STM32F103RB、STM32F103VB、STM32F103VE、STM32F103ZE接下来对于STM32F103RBT6芯片为例进行说明：表1芯片型号综合考虑，本设计选用stm32-M103系列芯片，在保证功能的同时价格也较容易接受。控制流程图系统控制流程图如图3-2-1所示。图3-2-1系统控制流程图陀螺仪实时监测角度并将值储存起来，最小系统通过监测按键发来的信号去判定需要执行的操作，将指定程序执行后把信号发送至光耦从而到达驱动，驱动控制电机完成一系列指定动作。角度采集控制设计MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时的轴间差问题，减少了大量的包装空间。MPU-6050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(Digital Motion Processor)，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后，就可以通过其I2C接口输出一个9轴的信号。MPU-6050也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。MPU-6050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。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为250，500，1000，2000/秒(dps)，加速度计可测范围为2，4，8，16g。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。MPU-6050模块与所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有1%变动的振荡器2。关于电源，MPU-60X0可支持VDD范围2.5V5%，3.0V5%，或3.3V5%。另外MPU-6050还有一个VLOGIC引脚，用来为I2C输出提供逻辑电平。VLOGIC电压可取1.85%或者VDD。本设计采用了MPU-6050模块，此传感器的功能可以说是十分出众。以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据。图3-3-1陀螺仪时序图 但是，本设计只应用了其两轴的运算，即X轴和Y轴，因为如果加入Z轴对所需的功能没有太大的意义，当然，因为工作环境会有部分干扰项，采集过来的东西还需要滤波处理。程序滤波设计当然，所使用的陀螺仪采集到的实时角度值肯定会受到许多的干扰因素的影响，这种干扰是硬件电路设计中无法避免的，因而我们需要一种软滤波方法，将所得到的带有毛刺的角度模拟量进行滤波优化，换算成较为平滑的模拟量曲线。在此我们使用的是卡尔曼滤波。将所得到的角度值经过多次滤波以此得到与实际角度较为契合的数据。卡尔曼滤波应用广泛且功能强大，它可以估计信号的过去和当前状态，甚至能估计将来的状态，即使并不知道模型的确切性质。本质上来讲，滤波就是一个信号处理与变换（去除或减弱不想要的成分，增强所需成分）的过程，这个过程既可以通过硬件来实现，也可以通过软件来实现。卡尔曼滤波属于一种软件滤波方法，其基本思想是：以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值，算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计。卡尔曼滤波器（Kalman Filter）是一个最优化自回归数据处理 算 法 （optimal recursive data processing algorithm），它 的 广 泛应用已经超过 30 年，包括航空器轨道修正、机器人系统控制、雷达系统与导弹追踪等。卡尔曼滤波作为一种数值估计优化方法，与应用领域的背景结合性很强。因此在应用卡尔曼滤波解决实际问题时，重要的不仅仅是算法的实现与优化问题，更重要的是利用获取的领域知识对被认识系统进行形式化描述， 建立起精确的数学模型，再从这个模型出发，进行滤波器的设计与实现工作3。光电隔离设计由于电机驱动与最小系统之间有信号线进行信号传输，当上电瞬间驱动电路的12V电有可能串入最小系统中，瞬间灌入过高电压可能导致单片机部分功能失灵甚至烧毁。所以应采取必要的保护措施，光耦就是一个很好的光电隔离器件。光耦合器（optical coupler，英文缩写为 OC）亦称光电耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小、耐压高，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小，对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中4。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。5。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的图3-5-1单光耦结构图 如图3-5-2在信号输入端添加200欧的电阻，目的是稍微台高输入端电压，使其信号过来后更容易导通。而RL处电阻选择5k也恰是为了抬高输出电压方便检测，因为输出端所需的是电压信号，故电阻可选择5-10K之间的阻值，取5k。图3-5-2光耦基本电路本系统将光耦安置在电机驱动与最小系统之间，最小系统发送过来的控制信号都要通过光耦才能输出到驱动中，以此提高了电路的安全性与实用性，使得该系统能更加稳健的运行。系统主电路设计系统的主要功能决定着电路结构。一个良好的电路结构不但能使系统更加稳定，而且会增加系统的可靠性，下图是电路的部分原理图。如图3-6-1所示。图3-6-1部分原理图驱动电路和光耦电路未全部添加，但功能大致相似，只是引脚略有差别。在主电路中除了必要的3.3V稳压电路、复位电路等基本保障电路之外，光耦电路的添加绝对是浓墨重彩的一笔。有了光耦电路对芯片最小系统乃至整个电路来说都提高了实用性，使其不会因瞬间电流过大损坏元器件。电机控制设计空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机，也可以将其归类为微特电机。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，技术先进性十分明显。作为高效率的能量转换装置，在很多领域代表了电动机的发展方向。空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫杯型转子。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了极大改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。其具体特性表现为1、节能特性能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上(铁芯电动机一股在30-50%).2、控制特性起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到1毫秒以内(普通电动机一般在100一200毫秒)在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以对转速进行灵敏的调节。3、拖动特性运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，能够容易的控制在2%以内。另外，空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/31/2.由于空心杯电动机克服了铁芯电动机不可逾越的技术障碍，而且其突出的特点集中在电动机的主要性能方面，使其具备了广阔的应用领域。尤其是随着工业技术的飞速发展，对电动机的伺服特性不断提出更高的期望和要求，使空心杯电动机在很多应用场合拥有不可替代的地位6。图3-7-1空心杯电机结构图本系统利用L298N电机驱动空心杯电机，由于L298N需要12V的直流电，但空心杯电机需要67V的电压控制，为此通过调节输入的占空比来控制输出的电压值，这样不但可控制空心杯的转速，也使系统更加稳定。同时程序中也对硬件做了保护，使输出电压绝对低于电机额定电压。L298N模块如图3-7-2。连接原理如图3-7-2.图3-7-2L298N驱动模块图3-7-3L298N基本连接原理电源以及稳压模块设计随着电子信息技术的快速发展，各类产品对电源的各项要求也随之提高，对电流、电压、功率等一些参数也要求更高，但是，由于受到各类半导体元器件的质量、参数以及性能的影响，每个开关电源模块的输出参数（如电压、电流、功率）往往并不能满足我们大型系统的要求，而且如今各类光、电类产业的迅猛发展，单个电源的效率能量都很低。因此，一个良好的稳压电源对整个系统至关重要。而本设计主要的用电电压为5V和7.5V，通过计算各用电模块的耗电情况合理分配，可以说选择合适的电源模块的元器件和精确的计算都至关重要。STM32的电源为3.3V，空心杯电机所使用的电压为7.5V，而空心杯电机是需要连接驱动模块的，所以驱动模块L298N的供电电压为7.5V。其中空心杯电机的电流稍大，最大可能达到0.5A每个。由此算来总电流可能达到2A左右，这就需要对部分模块电流有良好的控制，防止电流过大对电路造成伤害。本系统先利用电源适配器将220V的电转换成12V2A的直流电，再通过LM2596S模块和LM7805芯片将12V的电转换成7.5V和5V。LM2596S电源模块输入电压范围：直流3.2V至40V(输入的电压必须比要输出的电压高1.5V以上，不能升压)。输出电压范围：直流1.25V至35V电压连续可调，高效率(最大92%)最大输出电流为3A。实测12V输入，5V输出电流1A时的负载调整率低于1%。如图3-8-1图3-8-1LM2596S电源模块图3-8-2LM2596基本电路Lm2596相当于一个MOS管加上一些反馈环。其应用电路如图3-8-2所示。其中D1为续流二极管，其作用是在断电瞬间强制拉电感L1左点位为0，不然由于电路中电流不能瞬变的原因（电路中伏秒积相等），L1左边点位瞬间会变得很低。COUT的作用一个是为了隔直通交，使直流电流流入被供电的电路，而是为了防止电路电压瞬变对器件造成冲击。而电感L1除了上述之外，还有稳定电源纹波的作用LM7805稳压芯片及应用电路用lm78xx或lm79xx系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压。本设计采用LM7805典型应用电路。如图3-8-3所示。图3-8-3LM7805典型应用电路其中，C1有稳流的作用，而C2的主要作用是防止其输出端电压突变对电路造成冲击。VD2的作用主要是防止负载压降突变时3端口的电压低于1端口的电压，这时VD2就会将3端口电压拉至0V，起到了保护电路的作用。控制系统程序设计程序需求整个风力摆控制系统的程序由两部分构成，第一部分是对信号的采集与储存，另一部分是根据采集过来的信息对整个系统有一个