張超洋++程翔++文良華++程曉洪++鄧青++李勇

摘要：該文設(shè)計(jì)了一種基于瑞薩單片機(jī)控制的微型風(fēng)力擺系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于微機(jī)電MEMS的重力加速度陀螺儀MPU6050采集風(fēng)力擺姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過IIC總線將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器瑞薩R5F100LGA單片機(jī)；經(jīng)相應(yīng)的控制算法處理后產(chǎn)生多路PWM信號驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺執(zhí)行機(jī)構(gòu)的軸流風(fēng)機(jī)，完成風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。系統(tǒng)控制器實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)矢量分解和合成算法，采用PID控制器完成對風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)軌跡的精確控制和姿態(tài)調(diào)整。此外系統(tǒng)采用了LCD液晶屏和矩陣鍵盤作為人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺系統(tǒng)控制參數(shù)的人機(jī)交互。此風(fēng)力擺實(shí)現(xiàn)擺桿的快速起擺、直線擺動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上具有擺幅可設(shè)、擺向可控、擺速制動(dòng)、擺桿畫圓和系統(tǒng)抗外界干擾等功能。

關(guān)鍵詞：瑞薩單片機(jī)；風(fēng)力擺；PID算法；MPU6050；矢量分解與合成

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）04-0253-05

The System Design of Wind Pendulum Based on Renesas MCU

ZHANG Chao-yang，CHENG Xiang ，WEN Liang-hua， CHENG Xiao-hong， DENG Qing，LI Yong

（School of Physics and Electronic Engineering， Yibin University， Yibin 644007， China）

Abstract： In this paper， we design a micro wind pendulum based on MCU control system. The system uses MPU6050 based on micro electro mechanical MEMS to collect the attitude data of the wind pendulum，and through the IIC bus make real-time data transmission to the system controller Rui R5F100LGA MCU. After the corresponding control algorithm is processed， the multi channel PWM signal is used to drive the axial fan of the wind pendulum actuator to complete the closed-loop control of the wind pendulum motion. The system controller realizes the motion vector decomposition and synthesis algorithm， and uses the PID controller to achieve the precise control and attitude adjustment. In addition， the system uses the LCD screen and the matrix keyboard as the man-machine interface to realize the man-machine interaction. The wind swing realize the rapid and the pendulum swinging rod ，linear oscillation， and On this basis， there are a lot of expanding function.

Key words： Renesas MCU；Wind pendulum； PID algorithm； MPU6050；Vector decomposition and synthesis

1 概述

自然界的風(fēng)力作為能源利用可以追溯到遠(yuǎn)古的灌溉的風(fēng)車，而作為現(xiàn)代能源的風(fēng)力發(fā)電更被視為清潔和可再生綠色能源；因此風(fēng)力的測量和運(yùn)動(dòng)控制為風(fēng)力的利用獲得工程數(shù)據(jù)尤為重要，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)。風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是基于風(fēng)力來控制物體運(yùn)動(dòng)的測控系統(tǒng)，它在原有的基礎(chǔ)控制類型中加入新型控制力量風(fēng)，利用幾個(gè)流風(fēng)機(jī)組合成風(fēng)力擺，利用流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)扇葉形成風(fēng)，利用空氣的流動(dòng)性和作用力與反作用力定律實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)[1]。風(fēng)能將應(yīng)用很多領(lǐng)域內(nèi)，未來一段時(shí)間發(fā)展前景較好，研究風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對風(fēng)力在自動(dòng)控制中有一定的參考價(jià)值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)力擺系統(tǒng)主要包括R5F100LGA單片機(jī)控制模塊、電源模塊、姿態(tài)采集模塊、軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、液晶顯示模塊、矩陣鍵盤模塊組成和風(fēng)力擺機(jī)械結(jié)構(gòu)；由萬向節(jié)連接鋁桿，鋁桿再連接直流風(fēng)機(jī)從而組成風(fēng)力擺主要結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由陀螺儀MPU6050采集風(fēng)力擺的三維姿態(tài)，然后由單片機(jī)讀出三維姿態(tài)參數(shù)，通過PID控制算法產(chǎn)生PWM控制信號驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺姿態(tài)調(diào)節(jié)的功能。最終通過運(yùn)動(dòng)合成得出指定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。設(shè)置參數(shù)由LCD12864顯示，由矩陣按鍵的設(shè)定來調(diào)節(jié)參數(shù)以及進(jìn)行功能的切換。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

3 系統(tǒng)原理

3.1 風(fēng)力擺狀態(tài)測量的分析

采用高精度的六軸姿態(tài)儀MPU6050實(shí)時(shí)采集風(fēng)力擺姿態(tài)數(shù)據(jù)，采用400kHz的I2C接口傳輸數(shù)據(jù)或采用最高頻率為20MHz的SPI，來實(shí)現(xiàn)高速通信。風(fēng)力擺采用4只軸流直流風(fēng)機(jī)加自帶風(fēng)葉構(gòu)成的直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊采集風(fēng)力擺的當(dāng)前姿態(tài)送給單片機(jī)，通過單片機(jī)處理姿態(tài)數(shù)據(jù)后輸出PWM波，并控制其占空比，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力擺的控制。

3.2 控制算法與調(diào)試方法

該系統(tǒng)采用PID算法來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。風(fēng)機(jī)開始工作后，姿態(tài)采集模塊不斷采集當(dāng)前風(fēng)力擺的姿態(tài)，并于上一個(gè)姿態(tài)進(jìn)行比較，使得風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸趨于平穩(wěn)。PID算法中P為風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)角度比例，I為角度誤差積分，D為角度微分。

常規(guī)PID的數(shù)據(jù)輸入e（t）與輸出u（t）之間的關(guān)系為：

由于單片機(jī)的MUC只能處理數(shù)字信號，所以公式（1）中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為：以T 作為采樣周期，k 作為采樣序號，則離散采樣時(shí)間kT 對應(yīng)著連續(xù)時(shí)間t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作如下近似變換[2-4]：

上式中，為了表示方便，將類似于e（kT）簡化成ek形式就可以得到離散的PID 表達(dá)式：

式中：KP，KI，KD分別為比例，積分，微分系統(tǒng)；[kI=kPTI]，[kD=kPTD]，k為采樣序號，k=1，2，…；e（j）為第j次采樣的輸入差值；u（k）為第k次采樣時(shí)刻的輸出值，e（k-1）和e（k）分別為第k-1時(shí)刻和第k時(shí)刻所得的偏差信號。

P（比例調(diào)節(jié)）：調(diào)節(jié)P的值可提高響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但是P值太大會增大超調(diào)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間。

I（積分調(diào)節(jié)）：在系統(tǒng)中與P的作用相仿，但要將靜態(tài)誤差減小為0，必須調(diào)節(jié)I的值。

D（微分調(diào)節(jié)）：在系統(tǒng)中與比例、積分的作用恰恰相反，D的調(diào)節(jié)主要是為了減小超調(diào)，減小系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間。

3.3功能實(shí)現(xiàn)及方法

風(fēng)力擺畫直線是風(fēng)力擺只沿一個(gè)方向擺動(dòng)，而在與這個(gè)方向垂直的方向上抑制擺動(dòng)，這樣風(fēng)力擺便能按一個(gè)方向上擺出直線。設(shè)計(jì)中通過姿態(tài)來控制風(fēng)力擺，擺動(dòng)可以看作姿態(tài)出現(xiàn)橫滾，俯仰的角度變換。如果只沿X軸方向擺動(dòng)，意味著姿態(tài)出現(xiàn)俯仰變化，而在另一方面抑制橫滾的變化。

（1）控制直線的長度，意味著控制擺的幅度，而幅度取決于擺當(dāng)中的能量。擺的能量包含動(dòng)能和勢能，而擺的動(dòng)能更易控制。所以建立一個(gè)控制動(dòng)能的程序，能向擺中增加和減少動(dòng)能。當(dāng)擺達(dá)到擺幅要求時(shí)停止向擺中增加動(dòng)能，擺會做減幅振動(dòng)，減幅過多是再向擺中增加動(dòng)能。這樣擺幅就會控制在一定的幅度范圍內(nèi)。如圖2所示，當(dāng)要求風(fēng)力擺線性起擺時(shí)，只需要設(shè)置X面兩臺風(fēng)機(jī)的啟停規(guī)律便可以實(shí)現(xiàn)，并且通過速度PID調(diào)節(jié)Y面兩臺風(fēng)機(jī)，保持風(fēng)力擺的線性度。當(dāng)系統(tǒng)要求激光頭畫線距離時(shí)，通過Tan X計(jì)算出擺桿最大擺角，當(dāng)X面角度超過最大擺角時(shí)，迅速抑制擺桿運(yùn)動(dòng)，在此過程中，Y平面保持速度PID的調(diào)節(jié)，穩(wěn)定畫線的線性度。

（2）任意角度線性起擺方法分析

風(fēng)力擺擺動(dòng)方向的控制可以在擺上建立一個(gè)機(jī)體坐標(biāo)系，然后在這個(gè)坐標(biāo)系關(guān)于參考水平面取一個(gè)方向向量，沿這個(gè)向量控制擺動(dòng)，然后取這個(gè)向量的90度，用來抑制擺畫線的非線性。當(dāng)向量取得后，向量在機(jī)體坐標(biāo)系上表達(dá)，它在x軸和y軸上對應(yīng)的分量決定了施加在對應(yīng)軸上風(fēng)機(jī)的電壓。再用x，y軸上的電機(jī)合成這個(gè)向量。這樣就可以產(chǎn)生0～360度的角度的向量，用它控制風(fēng)力擺擺動(dòng)的方向。要保持設(shè)定的方向起擺，就需要用到矢量的合成原理，如下圖3所示，X平面和Y平面的運(yùn)動(dòng)最終合成得到底面的限長畫線軌跡；單片機(jī)通過預(yù)先設(shè)置的角度和MPU6050實(shí)時(shí)測控角度進(jìn)行PID運(yùn)算得到PWM調(diào)節(jié)量，可以控制PWMx與PWMy的關(guān)系（按比例合成），得到正確的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

（3）風(fēng)力擺畫圓方法分析

風(fēng)力擺畫圓可以在地面上建立一個(gè)點(diǎn)，用半徑和角度來表示。使用兩個(gè)PID，分別控制半徑和角度。首先，半徑是一個(gè)定值，但是當(dāng)擺處于這個(gè)半徑的圓的不同位置時(shí)，風(fēng)機(jī)需要合成的方向是不同的，具體是從圓心指向當(dāng)前擺位置的向量。控制半徑是PID的輸出需要乘以這個(gè)向量，以使風(fēng)機(jī)正確的合成所需的力。為了控制擺沿圓運(yùn)動(dòng)，在圓上設(shè)一個(gè)點(diǎn)，它所構(gòu)成的向量與擺當(dāng)前位置所構(gòu)成的向量的夾角利用PID來控制。最終擺將指向這個(gè)點(diǎn)。然后讓這個(gè)點(diǎn)沿圓移動(dòng)，這樣擺也跟沿圓移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)畫圓。

如圖4所示，要想在平面內(nèi)畫出圓形，必須算出X平面運(yùn)動(dòng)和Y平面運(yùn)動(dòng)的相互關(guān)系，由圓弧公式可以推導(dǎo)出PWMx與PWMy的關(guān)系呈圓弧關(guān)系，通過對PWMx求PWMy，就可以解出平面圓弧當(dāng)前點(diǎn)的切向量。

（4）調(diào)節(jié)風(fēng)力擺靜止

要在風(fēng)力擺被拉起一定角度后迅速回歸靜止?fàn)顟B(tài)，需要在擺的勢能轉(zhuǎn)換中施加方向作用力；即在風(fēng)力擺主動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中，通過陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)解讀，在X平面和Y平面上施加對應(yīng)的反作用力，便可以使得風(fēng)力擺快速回到靜止的狀態(tài)。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1硬件系統(tǒng)模塊之一

單片機(jī)最小系統(tǒng)采用瑞薩R5F100LGA單片機(jī)作為控制器，其內(nèi)部產(chǎn)生4路PWM方波調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輸出電壓，從而控制軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并能采集陀螺儀的數(shù)據(jù)，完成對風(fēng)力擺三維角度的PID控制[5-7]。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖5所示：

4.2硬件系統(tǒng)模塊之二

直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖6所示，由于本系統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)功率較大，普通三極管電路難以驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)調(diào)速，所以采用大功率MOS管半橋驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)功率能很好地滿足風(fēng)機(jī)大范圍調(diào)速需求，電路采用IR21094芯片作為MOS管的驅(qū)動(dòng)源。

5 軟件設(shè)計(jì)（software design ）

系統(tǒng)采用C語言編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，系統(tǒng)程序初始化后進(jìn)入初始化菜單，然后開始掃描按鍵，不同的按鍵對應(yīng)的不同的功能，通過按鍵后進(jìn)入相應(yīng)的界面，進(jìn)入對應(yīng)的界面后設(shè)置參數(shù)并發(fā)送設(shè)置的數(shù)據(jù)到風(fēng)力擺姿態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，發(fā)送完數(shù)據(jù)后由MCU不斷更新參數(shù)，同時(shí)采集和處理姿態(tài)數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖7所示：

6 測試方案與結(jié)果

6.1功能測試（一）

（1）測試前保持靜止?fàn)顟B(tài)，風(fēng)擺在15s內(nèi)必須自由直線擺動(dòng)起來且使激光筆穩(wěn)定的在地面畫出一條長度不短于50cm，畫的直線的線性度偏差不大于±2.5cm，畫直線要可重復(fù)進(jìn)行。測試結(jié)果如下表1所示：

[測試次數(shù)＼&長度是否大于50cm＼&時(shí)間（s）＼&1＼&是＼&5.04＼&2＼&是＼&5.16＼&3＼&是＼&5.31＼&]

（2） 測試前保持靜止?fàn)顟B(tài)，風(fēng)擺在15s內(nèi)必須自由直線擺動(dòng)起來且使激光筆穩(wěn)定的在地面畫出一條長度30-60cm間可控的直線，畫的直線的線性度偏差不大于±2.5cm，畫直線要可重復(fù)進(jìn)行，測試結(jié)果如下表2所示：

[測試次數(shù)＼&設(shè)置長（cm）＼&偏差＼&時(shí)間（s）＼&3＼&30＼&±0.5＼&5.82＼&3＼&40＼&±0.8＼&7.84＼&3＼&50＼&±0.7＼&9.15＼&3＼&60＼&±0.9＼&9.87＼&]

（3） 風(fēng)擺畫線的擺動(dòng)方向可由按鍵設(shè)定，設(shè)置前風(fēng)擺保持靜止?fàn)顟B(tài)，15s 內(nèi)按照設(shè)置的方向（角度）擺動(dòng)，畫出不短于20cm 的直線段。測試結(jié)果如表3所示：

表3 任意角度起擺

[測試次數(shù)＼&設(shè)置角度＼&線性偏差（cm）＼&時(shí)間（s）＼&3＼&0＼&±0.4＼&5.24＼&3＼&45＼&±0.5＼&5.33＼&3＼&135＼&±0.5＼&5.45＼&]

（4）手動(dòng)將風(fēng)擺拉起（30°～45°）放開，系統(tǒng)在5s 內(nèi)使風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。測試結(jié)果如下表4所示：

[測試次數(shù)＼&拉動(dòng)角度＼&時(shí)間（s）＼&1＼&30＼&4.5＼&2＼&35＼&4.7＼&3＼&45＼&4.0＼&]

6.2功能測試二

（1）風(fēng)擺靜止時(shí)激光筆的所指定的位置光點(diǎn)為圓心，用程序驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺用激光筆在地面畫圓，系統(tǒng)在30S內(nèi)要重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，且所畫圓的半徑可在15～35cm內(nèi)可設(shè)置，激光筆畫出的圓的軌跡的偏差應(yīng)落在指定半徑±2.5cm 的圓環(huán)內(nèi)。測試結(jié)果如表5所示：

[測試次數(shù)＼&畫圓半徑（cm）＼&半徑誤差（cm）＼&時(shí)間（s）＼&3＼&15＼&±0.7＼&10.27＼&3＼&25＼&±0.8＼&9.46＼&3＼&35＼&±1.0＼&9.53＼&]

（2）在上述實(shí)驗(yàn)完成后繼續(xù)作圓周運(yùn)動(dòng)，在離風(fēng)擺1～2m 距離內(nèi)用一臺50～60W 的電風(fēng)扇在水平方向向在畫圓的風(fēng)擺送風(fēng)，電風(fēng)扇吹5s 后停止，風(fēng)力擺能夠在5s 內(nèi)恢復(fù)（1）規(guī)定的圓周運(yùn)動(dòng)，激光筆畫出符合要求的軌跡。測試結(jié)果如表6所示：

[測試次數(shù)＼&風(fēng)扇距離（m）＼&干擾風(fēng)速度m/s＼&恢復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）＼&1＼&1.0＼&2.5＼& 2.12＼&2＼&1.5＼&1.5＼& 2.54＼&3＼&2.0＼&1.2＼& 1.01＼&]

7 結(jié)論

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的可設(shè)置長度，可設(shè)置角度的畫直線功能，且具有較小的線性偏差，可以設(shè)置擺動(dòng)方向，可以迅速制動(dòng)靜止?fàn)顟B(tài)。系統(tǒng)能按要求準(zhǔn)確的完成可設(shè)置半徑的畫圓功能。具有響應(yīng)迅速，圓的偏差小，抗干擾能力強(qiáng)，此外系統(tǒng)還能完成制動(dòng)等功能。

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