馮 笑 江興盟

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南鄭州 450052）

一種風(fēng)板自動控制裝置設(shè)計(jì)及測試

馮 笑 江興盟

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南鄭州 450052）

本文提出了一種以單片機(jī)STC12C5A60S2為核心的風(fēng)板自動控制裝置設(shè)計(jì)方案，結(jié)合PWM技術(shù)和PID控制器來調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)力大小，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)板轉(zhuǎn)角的控制。在設(shè)定的功能模式下對風(fēng)板轉(zhuǎn)角控制進(jìn)行了測試，結(jié)果表明了該系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)合理、簡單、精度較高等特點(diǎn)。

PWM PID 直流風(fēng)機(jī) 角位移傳感器

1 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，角度測量與控制被廣泛應(yīng)用于新能源利用、人工智能、機(jī)械加工及制造等領(lǐng)域，及時(shí)準(zhǔn)確的獲取角度信息并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在自動化控制過程顯得尤為重要[1]。為此設(shè)計(jì)并制作了一種風(fēng)板自動控制裝置，通過控制兩個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小來自動控制風(fēng)板旋轉(zhuǎn)到預(yù)置角度。

2 系統(tǒng)總體方案

直流電機(jī)選擇脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)速，利用微處理器的PWM輸出控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)風(fēng)力大小。如圖1所示，該系統(tǒng)的總體方案主要包括主控模塊、角度測量模塊、電機(jī)工作模塊、電源模塊等四部分，其中主控模塊有單片機(jī)、鍵盤輸入、液晶顯示及聲光報(bào)警等組成。

圖1 系統(tǒng)總體方案

3 理論計(jì)算與分析

3.1 直流電機(jī)的PWM調(diào)速原理

直流電機(jī)的PWM是通過控制直流電源通斷的頻率即改變直流電機(jī)電樞上的“占空比”，從而改變負(fù)載上平均電壓的大小，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的要求[2][3]。電動機(jī)的平均電壓Ud為：

式中：T為開關(guān)周期；ton為導(dǎo)通時(shí)間；ρ為占空比，Us為直流電源。

3.2 角度控制算法設(shè)計(jì)

由于對風(fēng)板的角度控制采用閉環(huán)方式，會存在振蕩、超調(diào)和穩(wěn)定性等問題，因此需要加入適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)算法使其達(dá)到準(zhǔn)確控制目的。PID調(diào)節(jié)器具有原理簡單，適用面廣，參數(shù)選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)，成為溫控系統(tǒng)、角度控制系統(tǒng)等常用的調(diào)節(jié)算法[3][4]。相比較于位置式PID控制算法，增量PID控制算法具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，本文采用數(shù)字增量式PID控制算法[5]。增量PID算法公式如下所示：

式（1）中：KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)； KD為微分系數(shù)。

最終可簡化為：

式中：

電機(jī)轉(zhuǎn)速是由單片機(jī)PWM輸出控制，而電壓的大小由PWM調(diào)節(jié)，因此，只要每隔一個(gè)采樣周期通過改變PWM占空比的方法改變電機(jī)電樞上的電壓，實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)控制?；赑ID的反饋控制策略需要根據(jù)系統(tǒng)動力特性和響應(yīng)要求，適當(dāng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，以確定最優(yōu)參數(shù)值[6]。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 主控模塊

系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，STC12C5A60S2是宏晶科技生產(chǎn)的一款高速、低功耗、強(qiáng)抗干擾的8051單片機(jī)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速10位AD轉(zhuǎn)換[7]。角度測量采用WDD35D4精密電阻式角度傳感器，它具有機(jī)械壽命長，分辨率高，轉(zhuǎn)動順滑，動態(tài)噪聲小的優(yōu)良性能。顯示部分采用LCD1602液晶顯示器，聲光報(bào)警部分采用發(fā)光二極管與蜂鳴器。如圖2所示主控模塊硬件電路圖。

4.2 風(fēng)機(jī)工作模塊

系統(tǒng)左右各有一個(gè)相同直流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)驅(qū)動采用L298N橋式電機(jī)驅(qū)動芯片， L298N工作電壓高、輸出電流較大，內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)，具有信號指示、轉(zhuǎn)速可調(diào)、抗干擾能力強(qiáng)、具有過電壓和過電流保護(hù)、PWM脈寬平滑調(diào)速，而且能夠使用TTL電平進(jìn)行控制。為保護(hù)控制器使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在STC12C5A60S2單片機(jī)與L298驅(qū)動之間增加光耦隔離電路。

圖2 主控模塊硬件電路圖

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，如圖3（a）所示系統(tǒng)軟件的總體流程圖，其中功能1為預(yù)置風(fēng)板控制角度，功能2為預(yù)置兩個(gè)控制角度，功能3與功能4為加了重物10g砝碼后的角度控制模式，分別于1、2控制要求相同。如圖3（b）中斷服務(wù)程序，用定時(shí)器中斷方式采集角度信息，通過PID算法控制單片機(jī)輸出的PWM“占空比”方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)板控制功能。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

6 系統(tǒng)測試

裝置制作實(shí)物如圖4所示，風(fēng)板控制裝置包括滑道、直流風(fēng)機(jī)（含底座）、支架、角度指示盤及角位移傳感器，其中傳感器固定于旋轉(zhuǎn)軸上，風(fēng)板固定于旋轉(zhuǎn)軸上，實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)測試前首先進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，使得單片機(jī)通過角度傳感器采集并且實(shí)現(xiàn)顯示角度即風(fēng)板當(dāng)前的角度值，達(dá)到與角度盤中指示值一一對應(yīng)關(guān)系的要求。

圖4 裝置制作實(shí)物

6.1 基本要求

（1）預(yù)置風(fēng)板控制角度45°：系統(tǒng)運(yùn)行后觀察裝置風(fēng)板角度的實(shí)際值，并且秒表計(jì)時(shí)風(fēng)板過渡時(shí)間t1和停留時(shí)間t2。如下表1所示測試數(shù)據(jù)反復(fù)測量5次，實(shí)際預(yù)置角度誤差不大于5°，過渡時(shí)間不大于10s，停留時(shí)間的誤差不大于1s，均滿足誤差要求。

表1 測試數(shù)據(jù)

（2）預(yù)置風(fēng)板控制角度50°與80°：如下表2所示測試數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求（第一次到達(dá)預(yù)置角度時(shí)間不大于10s,兩角度間擺動周期不大于5s，到達(dá)預(yù)置角度誤差不大于5°）可知，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)誤差要求。

表2 測試數(shù)據(jù)

6.2 發(fā)揮部分

加入10g砝碼后系統(tǒng)工作的測量數(shù)據(jù)如下。

（1）預(yù)置風(fēng)板控制角度70°：如下表3所示測試數(shù)據(jù)，測量誤差均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 測試數(shù)據(jù)

（2）預(yù)置風(fēng)板控制角度50°與80°：如下表4所示測試數(shù)據(jù)，測量誤差基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表4 測試數(shù)據(jù)

由測試結(jié)果可知風(fēng)板控制系統(tǒng)滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本控制要求和發(fā)揮設(shè)計(jì)要求，但仍然存在較小誤差，主要干擾因素來自于兩風(fēng)機(jī)的微小差異、電機(jī)轉(zhuǎn)速的非線性、電源的電磁干擾以及傳感器與橫軸同步誤差等。

7 結(jié)論

基于單片機(jī)的風(fēng)板控制裝置設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，通過PWM調(diào)壓和PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)板準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)到設(shè)定角度的自動控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，響應(yīng)速度快，測量誤差較小，具有工作的可靠性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)。該風(fēng)板控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于角度測量及控制等技術(shù)領(lǐng)域。

[1]陳素芹,賈冕茜,余紅英,陶玉貴.基于MKL26Z256VLL4的風(fēng)板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西昌學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,29(4):32-34.

[2]王效華,牛思先.基于單片機(jī)PWM控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(1):94-98.

[3]崔鳴,尚麗,顏廷秦.基于ARM的帆板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(9):57-62.

[4]王寶剛,李東潔.基于STC89C52的水溫自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化,2012,34(9):111-113.

[5]吳強(qiáng),韓震宇,李程.基于增量式PID 算法的無刷直流電機(jī)PWM 調(diào)速研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù),2013,42(3):63-65.

[6]李先允.自動控制系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2005.

[7]智海素,李英輝,曲昀卿.基于單片機(jī)控制的帆板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測試[J].制造業(yè)自動化,2012,34(9):133-135.

Design and Test of the Wind Board Control Device

FENG Xiao JIANG Xing-meng
(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College Zhengzhou Henan 450052 China)

A design scheme of the wind board automatic control device based on microcomputer STC12C5A60S2 is proposed in this paper, and the device is combined by the technology of PWM and PID controller to adjust the fan’s wind, so as to realize the control of the wind board’s turn angle. In the setting of the function pattern the control for turn angle is tested, and the results show that the system work is reliable and stable. And the system has the reasonable design, simple structure, high precision and so on.

PWM PID DC fan angular displacement sensor

A

1673-1816(2016)04-0075-05

2016-03-15

馮笑（1987-），男，河南南陽人，助教，碩士學(xué)位，研究方向電子與通信技術(shù)。