西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院　彭子洳

基于RL78/G13MCU板（R5F100LEA）的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)

西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院彭子洳

本風(fēng)力擺控制系統(tǒng)由RL78/G13MCU板（R5F100LEA）單片機(jī)主控模塊、風(fēng)力擺模塊、角度傳感器模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊等組成。系統(tǒng)通過(guò)角度傳感器采集角度信息，用RL78/G13MCU板（R5F100LEA）處理姿態(tài)角數(shù)據(jù)后通過(guò)PID精確算法調(diào)節(jié)直流風(fēng)機(jī)，并通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺工作模式的切換，LCD1602實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前風(fēng)力擺的角度和距離，當(dāng)風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)達(dá)到要求時(shí)，LED燈點(diǎn)亮，用于提示功能完成。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力擺在僅受直流風(fēng)機(jī)為動(dòng)力控制下快速起擺、恢復(fù)靜止、距離和幅度可控等功能，達(dá)到了題目要求。

RL78/G13MCU板（R5F100LEA）；角度傳感器；直流風(fēng)機(jī)；PID算法

引言

測(cè)量控制系統(tǒng)是當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)主流，具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。在如今社會(huì)信息化和移動(dòng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的飛速發(fā)展的道路上，測(cè)量控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電子、電力、機(jī)械、冶金、化工、航海航天等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。風(fēng)力擺控制系統(tǒng)就是基于風(fēng)力來(lái)控制物體運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1.1任務(wù)

一長(zhǎng)約 60cm～70cm 的細(xì)管上端用萬(wàn)向節(jié)固定在支架上，下方懸掛一組（2～4 只）直流風(fēng)機(jī)，構(gòu)成一風(fēng)力擺，如圖1所示。風(fēng)力擺上安裝一向下的激光筆，靜止時(shí)，激光筆的下端距地面不超過(guò)20cm。設(shè)計(jì)一測(cè)控系統(tǒng)，控制驅(qū)動(dòng)各風(fēng)機(jī)使風(fēng)力擺按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，激光筆在地面畫(huà)出要求的軌跡。

1.2要求

（1）從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)控制風(fēng)力擺做類(lèi)似自由擺運(yùn)動(dòng)，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫(huà)出一條長(zhǎng)度不短于 50cm 的直線(xiàn)段，其線(xiàn)性度偏差不大于±2.5cm，并且具有較好的重復(fù)性；

（2）從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)完成幅度可控的擺動(dòng)，畫(huà)出長(zhǎng)度在30—60cm 間可設(shè)置，長(zhǎng)度偏差不大于±2.5cm 的直線(xiàn)段，并且具有較好的重復(fù)性；

（3）可設(shè)定擺動(dòng)方向，風(fēng)力擺從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)按照設(shè)置的方向（角度）擺動(dòng)，畫(huà)出不短于 20cm 的直線(xiàn)段；

（4）將風(fēng)力擺拉起一定角度（30°—45°）放開(kāi)，5s 內(nèi)使風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。

2.系統(tǒng)方案

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)題目要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，本系統(tǒng)有主控制器（RL78/G13MCU板（R5F100LEA））、軸流風(fēng)機(jī)、角度傳感器、液晶顯示LCD1602、按鍵、激光頭、蜂鳴器等模塊構(gòu)成。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制方案論證

2.2.1主控模塊的選擇

方案一：STC89C51單片機(jī)作主控芯片，該芯片價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其運(yùn)算能力有限，無(wú)法達(dá)到較高的精度，需要外接大量外圍電路。

方案二：采用STM32單片機(jī)作主控芯片，該單片機(jī)可以采用模塊化程序設(shè)計(jì)，編程相對(duì)較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)資源豐富，但是價(jià)格相對(duì)較高。

方案三：采用RL78/G13 MCU板（R5F100LEA）單片機(jī)作主控芯片，該單片機(jī)系統(tǒng)配置高，程序運(yùn)行快，使用方便，且模塊比STM32小，方便作品封裝。

通過(guò)比較，本系統(tǒng)要求及時(shí)迅速對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中風(fēng)力擺的姿態(tài)進(jìn)行獲取和運(yùn)算，所以采用方案三。

2.2.2風(fēng)力擺的選擇

方案一：采用2只直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)。采用2只直流風(fēng)機(jī)并排反向而立，分別位于擺桿兩側(cè)，此方案難實(shí)現(xiàn)角度控制和畫(huà)圓功能。

方案二：采用3只直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)。三只風(fēng)機(jī)為等邊三角形。對(duì)于控制風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中狀態(tài)微調(diào)方面有提升，但由于相鄰風(fēng)機(jī)夾角為120度，比較大，不利于精確控制風(fēng)力擺的狀態(tài)。

方案三：采用4只直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)。用木板構(gòu)成十字架，從中間插入碳素纖維管，此方案風(fēng)力擺負(fù)載最重，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)于控制風(fēng)力擺狀態(tài)最為準(zhǔn)確，且動(dòng)力十足。

綜合上述比較，考慮到風(fēng)力擺在做往返運(yùn)動(dòng)中的實(shí)時(shí)性和精確性，本系統(tǒng)采用方案三。

2.2.3控制算法的選擇

方案一：采用模糊控制算法，模糊控制有許多良好的特性，它不需要事先知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、過(guò)渡過(guò)程短等優(yōu)點(diǎn)，但編程復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，且難以用已有規(guī)律描述復(fù)雜系統(tǒng)。

方案二：采用PID算法，按照比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行運(yùn)算。控制精度高，且是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)比較，PID算法能夠?qū)\(yùn)動(dòng)過(guò)程中風(fēng)力擺的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，所以本系統(tǒng)采用方案二。

2.2.4顯示模塊選擇

方案一：使用LED數(shù)碼管顯示，顯示亮度高，但顯示內(nèi)容較單一，一般只能顯示數(shù)字和簡(jiǎn)單的字符。

方案二：LCD1602液晶顯示，可以顯示豐富的符號(hào)指示信息以及文字指示信息。

通過(guò)比較，設(shè)計(jì)選用方案二LCD1602液晶顯示模塊。

2.2.5角度傳感器的選擇

方案一：SCA60C單獨(dú)傾角傳感器，測(cè)量范圍+90度到-90度，單片機(jī)5V供電，比例電壓輸出，模擬0.5V到4.5V輸出，耗能低。

方案二：采用三維角速度傳感器MPU6050，MPU6050為整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件（三軸陀螺儀 + 三軸加速度），該傳感器可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，數(shù)據(jù)讀取快，通過(guò)計(jì)算得到三維角度值，方便對(duì)風(fēng)力擺進(jìn)行控制。

根據(jù)題目要求，鑒于三維角度和穩(wěn)定性的要求，選擇方案二來(lái)采集角度信息。

2.2.6電源模塊的論證與選擇

方案一：使用單電源接自制線(xiàn)性直流穩(wěn)壓源模塊。單電源同時(shí)給控制系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)供電，方案簡(jiǎn)單易操作。但風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不僅會(huì)給電源帶來(lái)紋波，產(chǎn)生的反電壓容易燒毀單片機(jī)，而且單電源工作負(fù)載大，耗電快。

方案二：采用雙電源供電。風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和控制電源分開(kāi)，控制電機(jī)部分通過(guò)光耦隔離。電機(jī)使用12V鋰電池供電，單片機(jī)控制系統(tǒng)用另一塊電池接線(xiàn)性直流穩(wěn)壓源模塊供電。此方案可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且滿(mǎn)足了系統(tǒng)對(duì)供電的需求。

綜合上述比較，考慮系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性，本系統(tǒng)采用方案二。

3.測(cè)控方法

3.1風(fēng)力擺的狀態(tài)測(cè)量

采用高精度的陀螺加速度計(jì)MPU6050采集三維角度信息，MPU6050實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)擺姿態(tài)，獲得其最大推力，幅度可控部分通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，方程式為F=a（pith-mpith）2+mF，其中F為電機(jī)推力，pith為風(fēng)擺俯仰，mpith為目標(biāo)俯仰，mF為最大電機(jī)推力，通過(guò)函數(shù)模型，獲得到達(dá)指定目標(biāo)時(shí)的電機(jī)推力實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)單片機(jī)中通過(guò)一定的算法，計(jì)算出風(fēng)力擺的角度，然后根據(jù)動(dòng)作要求控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制四個(gè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成相應(yīng)的功能。

3.2風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)控制

本系統(tǒng)采用PID算法來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作后，姿態(tài)采集模塊不斷采集當(dāng)前風(fēng)力擺姿態(tài)角狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)比較，使得風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸趨向平穩(wěn)。通過(guò)PID算法去控制各個(gè)風(fēng)機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小。

3.2.1風(fēng)力擺的幅度控制

圖2　風(fēng)力擺結(jié)構(gòu)

當(dāng)風(fēng)力擺靜止時(shí)，擺桿豎直向下，通過(guò)單片機(jī)程序控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使風(fēng)力擺起擺。由圖2可知，風(fēng)力擺通過(guò)激光筆在地面畫(huà)的直線(xiàn)段與擺桿頂端到地面的豎直距離始終成一個(gè)直角。設(shè)激光筆在地面畫(huà)的直線(xiàn)段為x ，擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)頂端到地面的豎直距離為y， 擺桿擺動(dòng)的角度為θ。x是我們需要在地面上畫(huà)的線(xiàn)性長(zhǎng)度，y值可以通過(guò)直尺量出。則擺桿擺動(dòng)的角度θ=arctan（x/y），通過(guò)程序設(shè)定角度，從而達(dá)到幅度擺動(dòng)的控制。

圖3　畫(huà)圓示意圖

圖4　圓底示意圖

3.2.2風(fēng)力擺的圓周運(yùn)動(dòng)控制

如圖3、圖4，四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)A、B、C、D，A和C用來(lái)使風(fēng)力擺的擺桿與重力方向呈現(xiàn)設(shè)置夾角，B和D用來(lái)推動(dòng)擺桿沿切線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，由于擺桿為剛體，同時(shí)擺桿頂部為萬(wàn)向節(jié)，事實(shí)上，只要我們調(diào)節(jié)好控制A和C電機(jī)的PID參數(shù)使擺桿穩(wěn)定到設(shè)定的角度，然后通過(guò)B和D推動(dòng)擺桿，擺桿就會(huì)沿切線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，繪制出圓形軌跡。

3.2.3控制算法的理論分析

本系統(tǒng)幅度可控部分采用構(gòu)建函數(shù)模型實(shí)現(xiàn)，角度可控、畫(huà)圓及快速恢復(fù)原狀態(tài)部分采用PID算法來(lái)控制各個(gè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作后，姿態(tài)采集模塊不斷采集當(dāng)前風(fēng)力擺姿態(tài)角狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)比較，使得風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸趨向于平穩(wěn)。PID算法控制器由風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)角度比例P、角度誤差積分I和角度微分D組成。 其輸入e（t）與輸出U（t）的關(guān)系為：

風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)角度比例P：對(duì)風(fēng)力擺角速度進(jìn)行比例調(diào)整，即對(duì)風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)整。比例越大，調(diào)節(jié)速度越快。但不能過(guò)大，過(guò)大可能造成四風(fēng)機(jī)因工作狀態(tài)突變使擺桿不穩(wěn)定。 角度誤差積分I：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。本系統(tǒng)追求更快更穩(wěn)完成對(duì)風(fēng)力擺的控制，因此，本系統(tǒng)對(duì)積分調(diào)節(jié)的需要就非常弱。即保證在不需要時(shí)系統(tǒng)不會(huì)受到影響。 角度微分D：微分作用反映風(fēng)力擺角度的變化率，即角速度。具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1硬件設(shè)計(jì)

4.1.1主控制模塊

本設(shè)計(jì)的主控芯片選擇RL78/G13MCU板（R5F100LEA），通過(guò)RL78/G13MCU板（R5F100LEA）控制驅(qū)動(dòng)部分，進(jìn)而控制軸流風(fēng)機(jī)的擺動(dòng)，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　主控制模塊

圖6　按鍵控制

4.1.2 按鍵模塊

本系統(tǒng)通過(guò)按鍵按下選擇風(fēng)力擺的工作模式，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的基本要求，當(dāng)風(fēng)力擺到達(dá)基本要求，蜂鳴器發(fā)出刺耳的聲音，LED燈亮給予提示。原理圖如圖6所示。

按鍵1到5控制模式1到模式5，即基本要求中的四項(xiàng)要求和發(fā)揮部分的第一的要求。按鍵6為確認(rèn)鍵，按鍵7加角度，按鍵8減角度。

4.2軟件設(shè)計(jì)

4.2.1編程控制

基本要求一：要實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺做自由擺運(yùn)動(dòng)，通過(guò)單片機(jī)一個(gè)直流風(fēng)機(jī)的延時(shí)，運(yùn)用蕩秋千的原理，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)。

基本要求二：擺幅可控，可設(shè)計(jì)。每次在基本要求一的基礎(chǔ)上，在風(fēng)機(jī)換向的時(shí)候進(jìn)行PWM脈寬調(diào)節(jié)控制，進(jìn)行風(fēng)力的調(diào)節(jié)。

基本要求三：這一步主要是開(kāi)始使用兩個(gè)方向的風(fēng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力合成，從而實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)方向的改變，換向的時(shí)候兩組電機(jī)同時(shí)換向。方向可以通過(guò)矢量合成，通過(guò)查詢(xún)sin表格，進(jìn)行每個(gè)風(fēng)力計(jì)算。（在路勁規(guī)劃好的基礎(chǔ)上可以用陀螺儀進(jìn)行路徑修正）。

基本要求四：該要求的思路和基本要求一的思路正好反過(guò)來(lái)，需要有陀螺儀的輔助，給定陀螺儀反饋回來(lái)的角加速度，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，在擺動(dòng)角度比較小的時(shí)候再關(guān)閉電機(jī)即可。

4.2.2程序設(shè)計(jì)流程圖

圖7　主流程圖

5.系統(tǒng)測(cè)試

5.1硬件測(cè)試

5.1.1測(cè)試儀器

測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表1所示。

表1　測(cè)試使用儀器與設(shè)備

5.1.2測(cè)試方法

數(shù)值萬(wàn)用表主要用來(lái)測(cè)試分立元件的電阻、壓降、漏電流、截止、導(dǎo)通等參數(shù)。

可編程線(xiàn)性直流電源用于檢測(cè)穩(wěn)壓電源模塊的輸出電壓和為其他模塊提供電源。

函數(shù)發(fā)生器在測(cè)試時(shí)提供PWM波，通過(guò)改變頻率和占空比，來(lái)調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

直尺用來(lái)測(cè)量擺桿的長(zhǎng)度，即擺動(dòng)的距離，秒表用于驗(yàn)證擺動(dòng)的時(shí)間。

5.1.3測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫(huà)出一條長(zhǎng)度不短于 50cm的直線(xiàn)段，來(lái)回五次，記錄其由靜止至開(kāi)始自由擺時(shí)間及最大偏差距離。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　要求1測(cè)量數(shù)據(jù)

（2）從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)完成幅度可控的擺動(dòng)，畫(huà)出長(zhǎng)度在30-60cm 間可設(shè)置，長(zhǎng)度偏差不大于±2.5cm 的直線(xiàn)段，并且具有較好的重復(fù)性。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖表3所示。

表3　要求2測(cè)量數(shù)據(jù)

（3）可設(shè)定擺動(dòng)方向，風(fēng)力擺從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)按照設(shè)置的方向（角度）擺動(dòng)，畫(huà)出不短于 20cm 的直線(xiàn)段。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖表4所示。

表4　要求3測(cè)量數(shù)據(jù)

（4） 將風(fēng)力擺拉起一定角度（30°—45°）放開(kāi)，5s 內(nèi)使風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜

止?fàn)顟B(tài)。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖表5所示。

表5　要求4測(cè)量數(shù)據(jù)

5.2誤差分析

本系統(tǒng)通過(guò)程序控制擺動(dòng)角度，再通過(guò)反饋控制PWM波進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)在限定時(shí)間里擺動(dòng)一定長(zhǎng)度。角度的偏差，是由于空氣阻力和角度測(cè)量誤差的影響.題目限定的線(xiàn)性誤差不大于±2.5cm ，通過(guò)計(jì)算可知角度的偏差在1°左右。

6.總結(jié)

本風(fēng)力擺控制系統(tǒng)由RL78/G13MCU板（R5F100LEA）單片機(jī)為控制核心，利用4個(gè)直流風(fēng)機(jī)組成風(fēng)力擺，用RL78/G13MCU板（R5F100LEA）處理姿態(tài)角數(shù)據(jù)后通過(guò)PID精確算法和PWM調(diào)速功能來(lái)調(diào)節(jié)直流風(fēng)機(jī)，并通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺工作模式的切換，LCD1602實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前風(fēng)力擺的角度和距離，當(dāng)風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)達(dá)到要求時(shí)，LED燈點(diǎn)亮，用于提示功能完成。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力擺在僅受直流風(fēng)機(jī)為動(dòng)力控制下快速起擺、恢復(fù)靜止、距離和幅度可控等功能，達(dá)到了題目要求。在測(cè)試時(shí)存在一定偏差，是由于手動(dòng)制作外部結(jié)構(gòu)，風(fēng)擺外形不夠規(guī)則、外力因素，程序等成為誤差的主要來(lái)源。所以風(fēng)力擺擺動(dòng)角度控制不好，具體的控制算法有待進(jìn)一步優(yōu)化。

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［5］汪玉成.流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.場(chǎng)現(xiàn)代化，2007.

［6］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.