胡雄風

摘要：風力擺控制系統(tǒng)主要由單片機STM32F系統(tǒng)控制模塊、電機驅(qū)動模塊、風機姿態(tài)采集模塊MPU6050、小型軸流風機擺動模塊、電源模塊、人機交互系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)實現(xiàn)了風力擺在僅受直流風機動力在特定時間內(nèi)完成快速起擺、畫線、恢復(fù)靜止，并能準確畫圓，且受風力影響后能夠快速恢復(fù)畫圓狀態(tài)，具有很好的線性特征。

關(guān)鍵詞：PID算法；STM32單片機；L298N驅(qū)動；MPU6050；三維角度傳感器

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）05-0190-02

Abstract：This topic is to design control system of wind pendulum， mainly by the STM32F microcontroller ，system control module， motor drive module， acquisition module of fan attitude data ， small axial flow fan oscillating module， power supply module， human-computer interaction system. This system realizes drawing a line， resting again within a specified time by only DC fan power ， and can accurately draw a circle， and fast recovery of the circle after the influence of the wind ，which has a good linear structure.

Key words： PID algorithm； STM32 microcontroller； L298N driver； MPU6050； three-dimensional angle sensor

現(xiàn)代社會中依靠風力驅(qū)動的裝置已經(jīng)越來越普遍，在新能源行業(yè)有這廣泛的應(yīng)用，而最常用的是對風力進行自行控制。由于風力擺動具有不穩(wěn)定性、非線性、時變性的特點，所以風力控制系統(tǒng)則成了風力擺動裝置的重要組成部分。

1 設(shè)計要求

本課題對技術(shù)參數(shù)及指標有如下要求：

1）采用鋰電池作為供電系統(tǒng)，L298N芯片作為驅(qū)動模塊，采用MPU6050角度傳感器作為角度采集模塊，利用STM32F4單片機作為系統(tǒng)控制模塊；

2）流風機在15s內(nèi)做自由擺運動，直線擺動距離不低于50cm，誤差小于±2.5cm；

3）從靜止狀態(tài)開始，在15s內(nèi)完成規(guī)定幅度的可控擺動，能夠畫出長度在300～600mm內(nèi)，且長度誤差效益±2.5cm，且重復(fù)性達到要求；

4）擺動方向可手動設(shè)定，風力擺可以從靜止狀態(tài)開始，15s內(nèi)完成預(yù)先設(shè)置的方向擺動，能夠畫出大于 20cm 的直線段；

5）手動將風力擺拉起一定角度（30°～45°）并放開，5s 內(nèi)可以使風力擺通過制動達到靜止狀態(tài)。

2 系統(tǒng)方案論證與選擇

2.1風力擺運動模塊

方案一：采用兩只小型直流風機背面相靠反向的粘在PVC塑料桿上作為動力系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)兩只直流風機的轉(zhuǎn)速來使得風力擺運動?？梢灾本€運動，但是畫圓、開啟時間15s和5秒內(nèi)靜止比較難實現(xiàn)。

方案二：采用三只小型直流風機圍成立體等邊三角形?？梢灾本€運動，畫圓和5秒內(nèi)靜止相對方案一較為容易實現(xiàn)，但相鄰風機夾角過大，轉(zhuǎn)動的方向和風力不易控制，實現(xiàn)難度較高。

方案三：采用四只小型直流風機圍成一個沒有底面和頂面的正六面體。此方案的風力擺機械結(jié)構(gòu)雖然是最重的，但此時的風力擺的運動最易控制。

綜上所述方案三為最佳方案。

2.2風力驅(qū)動模塊

方案一：選用L298N驅(qū)動模塊，L298N是ST公司生產(chǎn)的芯片。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V，并且可以同時驅(qū)動兩個單相電機，可以通過調(diào)節(jié)電源輸入電壓來調(diào)節(jié)輸出；并用單片機的I/O口直接提供信號，電路非常簡單，使用簡便。

方案二：選用BTS7970驅(qū)動芯片，它是MOS管集成芯片，電機驅(qū)動的頻率會影響B(tài)TS7971開關(guān)損耗功耗。開關(guān)損耗越大，芯片越熱。該芯片具有驅(qū)動功率大，還具有非常好的封裝散熱的特點，輸出速度快，一般用于驅(qū)動小車，性能比較優(yōu)良。

綜合以上兩種方案，本想BTS7970芯片性能會較好點，但因?qū)嶒炇依镉鞋F(xiàn)成的L298N驅(qū)動模塊，經(jīng)過實驗測試，發(fā)現(xiàn)L298N驅(qū)動模塊運行可靠，取得效果良好，而且電路的電器性能和散熱性能較好，而且由于時間有限，此設(shè)計模塊就選用L298N驅(qū)動，選擇方案一。

2.3 角度測量方案的選擇與論證

方案一：只測量風力擺關(guān)于靜止狀態(tài)時的偏移角。本設(shè)計使用二維角位移傳感器測量風力擺轉(zhuǎn)動時相對靜止狀態(tài)時的偏移角，并對該位移角進行控制，從而實現(xiàn)對軸流風機轉(zhuǎn)速的控制。該方案需用軟件處理大量數(shù)據(jù)，且二維角位移傳感器不能準確測量風力擺的空間位置，故不能實現(xiàn)對風力擺運動角度的精確控制。

方案二：采用雙軸二傾角式傳感器模塊LE60OE，通過測量重力加速度，進一步轉(zhuǎn)換為傾角變化，可實現(xiàn)雙向測量。改方案具有低功耗、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，控制量響應(yīng)速度相對較快。它可以較為精確地測量平衡板的水平方向角，即可測量X，Y兩個方向，缺點是不能測量Z軸，且控制算法較復(fù)雜，軟件編程難度較大。

方案三：采用三維空間角度傳感器。在設(shè)計中，可以利用三維加速度傳感器，實時測量風力擺當前的即時角度和運動加速度，再對處采集的角度和加速度數(shù)據(jù)進行處理，得到風力擺當前姿態(tài)，從而實現(xiàn)對風力擺位置的精確控制。

綜合對比上述三種方案，充分考慮到傳感器的性能和特點優(yōu)勢，決定此系統(tǒng)選擇方案三的三維角加速度傳感器。

2.4 控制算法的論證

方案一：采用模糊控制算法，可不需要過程的精確數(shù)學模型，具有較強的容錯能力，系統(tǒng)響應(yīng)快、失調(diào)小等優(yōu)點，但是數(shù)據(jù)量過小的模糊控制算法會降低系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)品質(zhì)，模糊控制的設(shè)計尚缺乏系統(tǒng)性，無法定義控制目標。

方案二：采用PID控制算法，屬于過程控制算法，按偏差的比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系，進行運算。優(yōu)點是原理簡單，參數(shù)可以自動調(diào)整且相互獨立，控制精度很高，且算法成熟易于實現(xiàn)，適用面廣。對于本系統(tǒng)的控制已足夠精確，節(jié)約了單片機的資源和運算時間。

綜合上面的方案的優(yōu)缺點，最后決定選擇方案二。

2.5 電源模塊

方案一：使用市電電源并自制線性直流穩(wěn)壓電路。該電路可同時給控制電路和風機供電，方案簡單且成本低廉。但風機轉(zhuǎn)動時不僅會給電源造成紋波，并且產(chǎn)生反向高電壓致使單片機燒毀。且單電源工作時負載率較大，自身功耗高。

方案二：采用雙電源對系統(tǒng)和風機單獨供電。風機動力電源和系統(tǒng)控制電源獨立設(shè)計，電機控制部分用光耦進行隔離。風機使用12V鋰電池供電，單片機控制電路則用另一塊鋰電池，通過線性直流穩(wěn)壓電路供電。此方案兼顧了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)對供電的要求。

綜合對比的上述兩種方案，并充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性以及良好的控制性能，本設(shè)計采用第二種方案。

3 硬件電路設(shè)計

3.1硬件設(shè)計

通過直流穩(wěn)壓電源輸入+12V的電壓給L298N驅(qū)動模塊，驅(qū)動直流風機擺動，MPU6050角度傳感器采集風力擺的任意時刻姿態(tài)角數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)傳送給STM32單片機控制系統(tǒng)，通過人機交互系統(tǒng)下達指令信息完成所需功能。

3.2 系統(tǒng)控制原理

本風力擺系統(tǒng)采用4只12V—0.12A，直徑為6cm的小型直流風機為動力驅(qū)動系統(tǒng)。姿態(tài)角度采集模塊是角速度傳感器MPU6050芯片，通過不斷采集當前風力擺的角度數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)控制模塊STM單片機，單片機通過收集到的數(shù)據(jù)來處理姿態(tài)角信息調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，控制四只風機的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對風力擺的控制。

4 控制算法及軟件流程

4.1控制算法

本系統(tǒng)采用經(jīng)典PID算法來控制風機的轉(zhuǎn)速。風機進入工作狀態(tài)后，角速度采集電路對當前風力擺姿態(tài)角進行采集，并和之前的數(shù)據(jù)不斷進行對比，控制風力擺的運動狀態(tài)不斷向平穩(wěn)過渡，即把風力擺的擺幅精確控制在事先設(shè)定的范圍內(nèi)。PID控制器的算法由偏差比例系數(shù)P、風機角度誤差積分系數(shù)I和角度微分D共同組成，屬于經(jīng)典的PID控制器。它具有控制原理簡單，易于編程實現(xiàn)，適用范圍寬、控制參數(shù)互不干擾，參數(shù)的整定較為簡單等優(yōu)點。

4.2 程序設(shè)計框圖

5 設(shè)計結(jié)論

根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)，在15s內(nèi)激光筆在地面畫出的直線段的長度L1，幅度可控的直線的長度L2，特定擺動方向時的長度L3，拉起30度角時達到靜止的時間T，由此可以得出以下結(jié)論：

1）風力擺從靜止狀態(tài)開始，在15s內(nèi)可使風力擺控制的激光筆在地面畫出一條長度大于50cm的直線段，直線偏差小于±2.5cm；

2）從靜止狀態(tài)開始，可在15s內(nèi)完成擺幅可控的運動，畫出長度為30～60cm的直線段，且長度誤差小于±2.5cm，且重復(fù)性極佳；

3）可任意設(shè)定風力擺的擺動方向，使風力擺從靜止狀態(tài)開始，在15s 內(nèi)按照預(yù)置的方向（角度）運動，可畫出大于 200mm 的直線段；

4）手動將風力擺拉至一定的角度（30°～45°）并放開，可在5s 內(nèi)使風力擺通過制動返回到靜止狀態(tài)。

綜上所述，本設(shè)計達到設(shè)計要求。

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