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摘要： 本系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計方案，整個系統(tǒng)包含控制系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、角位移傳感器模塊、電源模塊等。用角位移傳感器MPU6050采集風(fēng)力擺擺頭的角度及位置，通過I2C總線傳輸發(fā)送到主控系統(tǒng)中，采用LCD12864顯示采集到的信息，通過PID算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號，發(fā)送給相應(yīng)的直流風(fēng)機(jī)，控制直流風(fēng)機(jī)實現(xiàn)自由擺動，從而畫出直線、圓等軌跡。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運算速度快，抗干擾能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)力擺； 角位移傳感器MPU6050； PID算法

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）04-0076-03

0引言

風(fēng)力擺系統(tǒng)是一個典型非線性、不穩(wěn)定的系統(tǒng)。在經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論中的應(yīng)用也是該領(lǐng)域具有代表性的基礎(chǔ)研究課題之一。而將其作為實驗裝置時可以測試控制理論，檢驗控制方法和思路。這些控制研究成果都能廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)與工程控制，所以對于風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的研討設(shè)計則將呈現(xiàn)重要的理論探索意義和實際應(yīng)用價值。本文即針對這一項目內(nèi)容給出如下分析論述。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1控制器模塊比較與選擇

1）方案一：采用STC89C51單片機(jī)作為控制器。STC89C51價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，且資料豐富；但是51單片機(jī)系統(tǒng)資源有限，8位控制器，運算能力有限，無法達(dá)到較高的精度，需要外接大量外圍電路，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，達(dá)不到系統(tǒng)要求。

2）方案二：采用MSP430G2553單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。MSP430G2553單片機(jī)內(nèi)部集成精度高，是16位單片機(jī)，但其外部接口較少，運算速度相對較慢，達(dá)不到要求。

3）方案三：采用STM32F103單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。STM32F103單片機(jī)是32位單片機(jī)，內(nèi)部集成度高，擁有大量外部接口，運算速度高，能夠滿足問題中對數(shù)據(jù)的快速采集和處理需求。

綜合以上3種方案，研究中選擇方案三中的STM32F103單片機(jī)。

1.2角度傳感器模塊比較與選擇

1）方案一：采用編碼器根據(jù)脈沖數(shù)計算出角度，但是編碼器體積較大，安裝不方便，有突變現(xiàn)象，容易導(dǎo)致計算錯誤，故不能滿足題目要求。

2）方案二：采用ENC陀螺儀，ENC陀螺儀能輸出一個和角速度成正比的模擬電壓信號，響應(yīng)速度快，驅(qū)動電壓和功耗較低。但是容易發(fā)生溫漂，噪聲較大，穩(wěn)定性較差。

3）方案三：采用MPU6050三維角度傳感器，MPU6050集成了3軸陀螺儀，3軸加速度計，以及一個可擴(kuò)展的數(shù)字運動處理器DMP，可輸出數(shù)字量，穩(wěn)定性極佳，測量精度高。

綜合比較以上方案，研究中選擇方案三中的MPU6050傳感器作為系統(tǒng)的角度傳感器。

1.3驅(qū)動模塊的比較與選擇

1）方案一：采用L298驅(qū)動，L298是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。但其輸出電流不能超過4A，比較容易發(fā)熱，不能符合題目的較大電流。

2）方案二：采用互補(bǔ)硅功率達(dá)林頓管驅(qū)動，采用該方法電路連接比較簡單，穩(wěn)定性好，成本低廉，但不足之處是由于使用分立元件，反應(yīng)速度較慢，不能符合題目對軸流風(fēng)機(jī)快速反應(yīng)的要求。

3）方案三：采用電子調(diào)速器驅(qū)動，可根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，操作方便，具有過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。具有極好的驅(qū)動能力，反應(yīng)靈敏，能夠很好地滿足題目的要求。

綜合以上3種方案，研究中選擇方案三中的電子調(diào)速器驅(qū)動。至此可得，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2控制原理

PID控制算法中，微分作用是控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，能對克服對象的容量滯后有顯著效果，在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差，因此PID控制算法適用于控制質(zhì)量要求很高的控制系統(tǒng)。使用PWM（脈寬調(diào)制）方法，可以方便地改變加給電機(jī)電樞的平均電壓的大小。改變控制信號的占空比就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體分析如下：

error=set_angle-anggle_one[JY]（1）

其中，error為擺桿的角度差，set_angle對應(yīng)擺桿平衡時的角度值，anggle_one對應(yīng)擺桿當(dāng)前的角度值。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步得到：

up=kp×error[JY] （2）

其中， kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，通過公式可以看出，增大kp即可增強(qiáng)角度差的作用，從而提升系統(tǒng)的強(qiáng)硬速度，使擺桿迅速達(dá)到直立的狀態(tài)。由此，研究求得ud的數(shù)學(xué)表述如下：

ud=kd×（angleone-anggle_one_old）[JY]（3）

其中，anggle_one_old對應(yīng)擺桿上一次采集到的角度值，kd為微分調(diào)節(jié)系數(shù)，angleone-anggle_one_old對應(yīng)角度的變化值，因此可知，調(diào)節(jié)kd可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。聯(lián)立上式，可得pwm的運算公式為：

pwm=up-ud[JY]（4）

把pwm的值給電機(jī)即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使擺桿的角度改變。最終實現(xiàn)擺桿的站直并穩(wěn)定。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1程序功能描述

主要是通過STM32F103單片機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

3.2主體程序設(shè)計

本測量裝置主要指標(biāo)是通過MPU6050采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)STM32F103進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過按鍵來提供參數(shù)整定，從而調(diào)控各個風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使激光筆能夠滿足畫出直線和圓形等各類要求。程序設(shè)計流程則如圖2所示。

4實驗測試與分析endprint

本次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。在系統(tǒng)測試中，采用的是萬向節(jié)為軸轉(zhuǎn)中心，具體如圖4所示，同時，以角度傳感器為反饋模塊，以10°為一個分度值，進(jìn)行角度的測量，從而察證最終畫得的直線、圓圈的處理結(jié)果。

5結(jié)束語

綜上分析，采用PID控制算法，簡單，響應(yīng)速度快，選用合適的PID值，可以在一個周期內(nèi)快速跟蹤正弦波運動。但由于測試工具和機(jī)械結(jié)構(gòu)不均勻，會使擺角計算的角度與實際的角度存在偏差，造成系統(tǒng)結(jié)果呈現(xiàn)一定誤差。

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