張祥慶　尹慶慶　張浩然　劉沂青　葛偉楠　山東師范大學(xué)　山東濟(jì)南　250358

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基于stm32低功率風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的研究

張祥慶尹慶慶張浩然劉沂青葛偉楠山東師范大學(xué)山東濟(jì)南250358

【文章摘要】

系統(tǒng)采用STM32F103V系統(tǒng)板作為控制中心，與萬向節(jié)、擺桿、2W低功率軸流風(fēng)機(jī)、激光頭、反饋裝置一起構(gòu)成擺桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與風(fēng)機(jī)速度分配的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。單片機(jī)移植入ucos操作系統(tǒng)，可以穩(wěn)定地控制程序，輸出可變的PWM波給軸流風(fēng)機(jī)，控制4個(gè)方向上風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，從而產(chǎn)生大小不同的力。利用加速度計(jì)模塊MPU6050防止脫離運(yùn)動(dòng)軌跡?？刂品绞讲捎肞ID算法加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從而使該系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】

STM32F103V；ucos；2W軸流風(fēng)機(jī)；MPU6050；PID

0　引言

眾所周知，軸流風(fēng)機(jī)功率越大，其機(jī)動(dòng)性越強(qiáng)，受控制能力越好，所需要的算法難度也會(huì)降低；而如果軸流風(fēng)機(jī)功率很小，那么它的可控性就會(huì)降低，所需要的算法難度大大增加。目前，在這種控制領(lǐng)域一般采用40W以上甚至100W以上的無刷電機(jī)加上扇頁，供以220V交流電或者大功率直流電來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這種電機(jī)提供了足夠的動(dòng)力，使得風(fēng)機(jī)控制算法難度大大降低。因?yàn)楣β侍笫沟棉D(zhuǎn)速太快以及風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)為裸露扇葉，導(dǎo)致了噪音大、功耗高、危險(xiǎn)系數(shù)大等問題，這些問題使得存在很大的缺陷與隱患。

1　控制方案

1.1控制系統(tǒng)

我們采用STM32F103V單片機(jī)做為主控芯片，移植ucos操作系統(tǒng)，用加速度計(jì)陀螺儀模塊MPU6050來計(jì)算角度和風(fēng)機(jī)狀態(tài)，用軸流風(fēng)機(jī)帶動(dòng)擺桿運(yùn)動(dòng)。當(dāng)MPU6050檢測(cè)到擺桿的角度時(shí)，可根據(jù)三角函數(shù)公式計(jì)算出擺桿現(xiàn)在距離中心的具體位置，單片機(jī)會(huì)控制PWM波的輸出大小來控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速與方向，使擺桿達(dá)到在特定位置靜止或按照一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。在此過程中，單片機(jī)做出A/D采樣，防止發(fā)生軌跡偏移。

1.2數(shù)據(jù)處理

通過加速度計(jì)陀螺儀模塊MPU6050檢測(cè)風(fēng)力擺擺桿的傾角數(shù)據(jù)。MPU6050集成了3 軸MEMS陀螺儀。MPU6050和所有設(shè)備寄存器之間通信采用I2C接口，實(shí)現(xiàn)高速通信。內(nèi)置卡爾曼濾波器，精確測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別采用了16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，通過DMP處理器讀取測(cè)量數(shù)據(jù)然后通過串口輸出。

2　軟件設(shè)計(jì)

2.1PID算法基本原理

系統(tǒng)采用PID算法來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，風(fēng)機(jī)開始工作后，MPU6050不斷采集當(dāng)前擺桿擺腳狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)進(jìn)行比較，使得擺桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。PID算法控制器由4個(gè)風(fēng)機(jī)速度分配比例P角度誤差積分I角度微分D組成。

其輸入e(t)與輸出U（t)關(guān)系為：

傳遞函數(shù)為：

2.2主體算法設(shè)計(jì)

算法設(shè)計(jì)要考慮風(fēng)機(jī)二維的運(yùn)動(dòng)和三維的運(yùn)動(dòng)并加。采用閉環(huán)控制，設(shè)定一個(gè)閾值，單片機(jī)檢測(cè)到閾值，控制軸流風(fēng)機(jī)，維度不同做出不同的反應(yīng)。無論二維還是三維，都需要使用PID算法控制，提高軸流風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性。

為了克服軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)力不足的問題，需要在接入主體控制算法之前進(jìn)行強(qiáng)制動(dòng)力拉升，持續(xù)一段時(shí)間，然后接入PID算法，使得風(fēng)機(jī)快速穩(wěn)定下來。

由于移植了操作系統(tǒng)ucos，配合ARM單片機(jī)，使得程序的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。

2.3法實(shí)際效果

穩(wěn)定性：移植了ucos的新系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，并且在控制上沒有滯后的問題，靈敏度大大增強(qiáng)。

功耗：功耗為大功率直流無刷電機(jī)的0.5%到1%，發(fā)熱降低，可持續(xù)工作時(shí)間大大延長(zhǎng)，而且節(jié)約了能源。

噪音：無嘯叫聲。

安全性：安全性較無刷電機(jī)大為提高。

3　結(jié)語

綜上所述，本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了測(cè)試要求，并且具有低噪音、低功耗、安全系數(shù)高的特點(diǎn)。高性能的單片機(jī)和操作系統(tǒng)、好的算法，起到至關(guān)重要的作用，彌補(bǔ)了低功率風(fēng)機(jī)動(dòng)力的不足，并且大大增加了穩(wěn)定性。

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