电子竞赛论文风力摆控制系统Word格式文档下载.docx
《电子竞赛论文风力摆控制系统Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子竞赛论文风力摆控制系统Word格式文档下载.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
2.风力摆状态的检测与计算2
3.风力摆运动状态的分析3
4.驱动与控制算法3
（1）电机驱动3
（2）控制算法3
三、电路及程序设计4
1.电路设计4
（1）风机驱动电路设计4
（2）显示模块5
2.程序设计5
四、测试结果与分析6
1.测试仪器6
2.测试方案与结果6
（1）风力摆做自由摆动的测试6
（2）风力摆做幅度可控摆动的测试7
（3）静止状态恢复测试7
3.测试结果分析7
五、总结7
参考文献9
附录A主要元器件清单10
附录B电路原理图11
附录C源程序12
一、系统方案论证与选择
1.系统方案
本系统主要由单片机控制模块、电机驱动模块、角度检测模块、电源模块组成，键盘模块，显示模块组成。
2.方案比较与论证
（1）控制模块的选择与论证
方案一：
采用MSP430单片机
MSP430系列单片机采用精简指令集结构，具有丰富的寻址方式，以及强大的处理能力并且具有超低的功耗。
在运算速度方面，能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。
但是所占的指令空间较大，资料也比较少。
方案二：
采用STC89C51单片机
STC89C51单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。
并且由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。
综合上述两种方案，方案二较为简单，可以满足设计要求。
（2）电机驱动模块的论证与选择
采用自搭接的H桥电路
选用大功率达林顿管或场效应管自制H桥电路，电路原理简单，具有高效，低功率等特点，但是性能不够稳定，电路调试复杂
采用L298N电机驱动模块
L298N是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动。
最高工作电压可达46v，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，采用标准逻辑电平信号控制。
电子开关的速度很快，稳定性也极强。
综合考虑，我们选择方案二。
（3）角度检测模块的论证与选择
采用MPU6050芯片
MPU6050集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器。
并且容易上手。
采用WDS35D芯片
WDS35D传感器其测量范围为0°
~360°
，输出电压范围与输入电压有关，输出精度为1mv，测量精度为0.1度，线性度好，长期稳定行好，灵敏度高，可实现对角位移的精确测量。
结合我们自身综合考虑，我们选择方案一。
（4）显示方案的论证与选择
采用LED数码管显示
LED显示具有硬件电路结构简单、调试方便、软件容易实现等优点，但是数码管只能显示简单的数字，显示信息量少，不能够满足此本设计的要求。
采用1602字符液晶
LCD液晶显示具有功耗低、显示内容丰富、清晰、且显示信息量大等优点而得到广泛应用。
综合以上两种方案选择，本设计选择方案二。
二、系统理论分析与计算
1.机械结构的设计
风力摆支架采用木条自行搭建，整体高100cm，臂杆长50cm，摆杆采用长65cm的碳维纤管，并通过万向节固定在臂杆上一端。
摆杆下端悬挂二个直流风机，并在其下端安装一个向下的激光笔。
碳维纤管具有强度高，质量轻，低密度等优点，广泛应用于航模，转轴等机械设备。
符合本设计的要求。
风力摆整体结构如图2.1所示。
摆杆
臂杆
轴流风机
图2.1风力摆结构示意图
2.风力摆状态的检测与计算
采用高精度的角度传感器MPU6050不断采集风力摆姿态角数据。
MPU6050集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速器，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP。
MPU6050和所有设备寄存器之间的通信采用400KHz的I2C接口。
实现高速通信。
内置的可编程卡尔曼滤波器，采用最优化自回归数据处理算法精确测量风力摆当前姿态角。
MPU6050对陀螺仪和加速计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，通过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。
3.风力摆运动状态的分析
风力摆采用4个36W的直流风机为动力驱动系统，角度检测模块采集风力摆姿态角。
然后将采集到的信息传送到单片机，单片机处理姿态角信息调节输出PWM的占空比，进而控制四个电机的工作状态，从而实现对风力摆的控制。
4.驱动与控制算法
（1）电机驱动
对于普通的直流电机，其控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。
对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。
PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，加在电机两端的电压就在VLoad和0V之间不停的跳变，对应的电机电压波形如图2.4.1所示：
Uo
Th
OV
图2.2PWM调速原理图
此时加在电机两端的平均电压Uo=Th/（Th+Tl）*VLoad，可以通过调整PWM的占空比来改变Th和Tl的比值。
这样就可以通过PWM调节加在电机两端的平均电压，从而改变电机的转速。
（2）控制算法
风力摆的运动是连续运动，摆杆的变化也是连续的渐变过程，因此我们采用PID控制算法。
对直流电机为执行器件的系统中，基本采用增量试PID算法进行控制。
数字PID控制算法是以模拟PID调节器控制为基础的，由于单片机是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差计算控制量。
但是如果采样周期T取得足够小，采样数值计算方法逼近可相当准确，被控过程与连续控制十分接近。
离散化后的PID算式为：
式中：
K:
比例系数，
:
偏差为零时的控制作用，
：
积分时间，
微分时间，T：
采样时间，以上公式称为位置式算法。
有它可推出增量式算法：
式中各系数由反复实践后确定，实验证明，这种控制方式可以加快系统阶跃响应、减小超调量，并具有较高的精度。
三、电路及程序设计
1.电路设计
整个系统分为系统模块、编码器模块、电机驱动模块、电机模块、电源模块、键盘模块、显示模块。
各模块的系统框图如图3.1所示。
控制模块
图3.1系统框图
（1）风机驱动电路设计
L298N是ST公司生产的一种高电压，大电流电机驱动芯片。
该芯片最高工作电压课高达45V,输出电流大，瞬间峰值电流可达到3A，持续工作电流为2A，额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器。
其电路图如图3.1.1.所示。
图3.1.1.电机驱动模块
（2）显示模块
图3.12LCD液晶显示模块
2.程序设计
本系统的软件部分主要有角度测量模块、驱动PWM模块、PID控制模块函数组成，当单片机上电后，进入初始化界面，根据不同的按键，单片机进入不同的工作方式，按照不同的要求工作。
角度检测传感器检测风力摆的姿态，输出电压信号，进而对直流风机控制，使风力摆做不同的摆动。
流程框图如图3.2所示。
图3.2程序框图
四、测试结果与分析
1.测试仪器
测试仪器包括秒表，量角器，米尺，自制方向图纸
2.测试方案与结果
（1）风力摆做自由摆动的测试
从静止开始驱动风力摆，使其做类似自由摆运动，在15秒内使激光笔稳定地在自制方向图纸上画出一条长度不短于50cm的直线其线性度偏差不大于±
2.5cm，并具有较好的重复性。
测试结果如表1所示。
表1风力摆画长于50cm直线测试
测试次数
完成所需时间（t）
偏差
结果
第一次测试
16s
3cm
失败
第二次测试
15s
2.3cm
成功
第三次测试
13s
2cm
（2）风力摆做幅度可控摆动的测试
从静止开始启动风力摆，使其15秒内完场幅度可控的摆动，长度偏差不大于±
2.5cm。
测试结果如表2所示。
表2风力摆做幅度可控的测试
2,1cm
12s
2.4cm
（3）静止状态恢复测试
将风力摆拉起一定角度（30°
~45°
）放开，使其5秒内达到静止。
测试结果如表4所示。
6s
5s
3.测试结果分析
测试结果分析，系统总体上达到较好的性能，完成了赛题要求的部分功能。
但是在测试过程中，在直流风机自身的重力及较弱风力的影响下，对于部分基本功能没有能够很好的完成，直流风机驱动设计上存在部分缺陷，驱动力不足，使风力摆在部分基本功能上没有很好地完成要求。
如资金充足
五、总结
风力摆是一种复杂、时变、非线性、自然不稳定的高阶系统，许多抽象的控制理念概论都可以通过风力摆直观的直观的表现出来。
本设计通过分析控制器的基本原理，结合风力摆系统实际参数，然后通过控制理论设计控制器。
采用PID控制算法对直流风机调速，进而控制风力摆的运动姿态，使其达到所需要的要求。
在本设计中遇到的最大问题就是驱动不足，之前考虑过多种方案，但由于时间紧，任务重，系统还有一些功能未能实现，比如摆杆做类似圆周运动。
若经改进，相信性能还会有进一步的提升。
本次四天三夜的竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然在结果上没能达到预想中的程度，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存。
我们会继续努力争取更大的进去，在此路上走的更远。
参考文献
[1]谭浩强.C语言程序设计[M].北京:
清华大学出版社.2012
[2]康华光主编.电子技术基础[M].华中理工大学电子学教研室.2010
[3]康华光、陈大钦主编.电子技术基础数字部份[M].高等教育出版社.2010
[4]郭天祥主编.51单片机C语言教程[M].电子工业出版社.2008
[5]王宜怀、吴瑾、蒋银珍编著.单片机原理与应用[M].电子工业出版社.2005
[6]蒋焕文，孙续.电子测量[M].3版.北京：
中国计量出版社，2008
[7]蔡惟铮.集成电子技术.北京：
高等教育出版社，2004
[8]李立功，等.现代电子测量计数[M].2版.北京：
国防工业出版社，2008
[9]辛晓宁
王晓旭.PWM调制的设计与实现[J].电子设计工程2013，2（4）:
122~124
[10]高吉祥,唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程（电子仪器仪表设计）[M].北京:
电子工业出版社,2007
附录A主要元器件清单
序号
元器件名称
型号
规格
数量
1
电阻
50Ω
个
10
2
100Ω
3
100KΩ
4
升级会员 