风力摆控制系统-论文最终版

一种风力摆控制系统秦玉伟【摘要】A wind pendulum controlling system based on MSP430 MCU is designed. The attitude information is collected by the gyroscope MPU6050. The rotate speeds of DC motor are then changed by the PID algorithm to control the motion trail. The experimental result shows that it has the functions of the selected length line motion,the circular motion and the quickly braking. It has the advantages of low power consumption,stable function and accurate swing trajectory.%设计了一种基于MSP430系列单片机的风力摆控制系统,利用陀螺仪MPU6050实时采集摆杆的姿态信息,再通过PID算法处理数据,改变直流电机的转速,控制风力摆的运动轨迹.实验结果表明,风力摆能实现定长直线运动轨迹、圆周运动轨迹及快速制动,具有低功耗、性能稳定、摆动轨迹准确的特点.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2016(034)011【总页数】4页(P1889-1892)【关键词】风力摆;直流电机;陀螺仪;PID算法【作者】秦玉伟【作者单位】渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714099;陕西省X射线检测与应用研究开发中心,陕西渭南 714099【正文语种】中文【中图分类】TH741风力摆控制系统是利用风力实现物体运动状态控制的测控系统，风力摆通过风机转动使空气流动形成风力，实现对风力摆的运动轨迹控制［1-5］.针对风力摆控制系统的关键问题，设计了一种自定义轨迹运动的风力摆控制系统，对风力摆的运动轨迹进行智能化精确控制，能够实现自定义轨迹扫描，如快速启动、定长度的直线运动轨迹、画圆圈、规定角度摆动、快速停止等运动控制功能，并且能够在风力作用下快速恢复原始状态.风力摆由摆杆、电源、单片机MSP430F149最小系统、按键、陀螺仪MPU6050、液晶显示屏LCD12864、电机驱动芯片L298N、空心杯电机及其他机械部件组成，系统结构如图1所示.MPU6050陀螺仪采集风力摆姿态数据，存储至其内部寄存器.系统以单片机MSP430F149为控制核心，通过I2C协议读取陀螺仪内部寄存器的姿态数据，根据PID算法计算姿态误差，并通过改变PWM波的占空比，利用电机驱动芯片L298N对空心杯电机进行独立转速控制，实现风力摆的姿态调整，设定的变量值和风力摆的姿态角数据等信息通过LCD12864液晶屏显示.2.1 单片机控制系统MSP430F149内部配置了16位超低功耗处理器，编程逻辑和内部功能丰富，自带丰富的寄存器和快速的处理器，编写的指令集（RISC）非常简单，同时集成了通用I/O控制模块、I2C通信协议模块、A/D转换模块、5 V转化3.3 V电源模块、串口通信模块、GSM模块等其他协议模块［6-8］.2.2 陀螺仪风力摆通过陀螺仪MPU6050采集角度和角加速度等姿态信息，其内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速器，能够检测运动的姿态角，对三轴角速度和三轴角加速度进行检测，并自带一个I2C端口，通过单片机I2C通信协议读取数据［9-13］.陀螺仪MPU6050的SDA引脚和SCL引脚分别与单片机MSP430F149的P3.6和P3.7引脚相连；将陀螺仪角度数据放到其内部寄存器，通过访问固定地址读出角度数据，实现对陀螺仪角度数据的读取.2.3 驱动电机和驱动控制系统利用四个两两平行且转轴对称放置的空心杯电动机作为驱动，空心杯电机属于伺服电机，内部采用直流永磁，且无铁芯转子.其质量小、转速高、功耗低，且易控制、稳定性好，能够实现快速制动［14-16］.驱动控制电路采用耐高电压、能驱动大电流电机的L298N芯片［17-18］，控制引脚分别连接到单片机配置好的四个引脚上，通过单片机输出不同占空比的4路PWM波控制电机转速.风力摆的动力来源于悬挂的两组空心杯电机，受风机风力的限制，风力摆无法直接达到设定高度，因此在摆杆摆动过程中利用空心杯电机施加风力.风力摆的单摆周期可以表示为［19］：其中：L为摆杆的长度；g为重力加速度.系统启动后，根据周期T改变风机转向，当摆幅变大后，陀螺仪测量的角加速度变化很快，通过测量角加速度控制风机切换转向的时间点，并通过单片机计算姿态角，输出相应的PWM波控制风机转速，对风力进行调节.风力摆处于静止状态时，受到重力G的作用，系统状态处于竖直状态.当施加外力时，系统不再保持原有状态，如图2所示.空心杯电机旋转产生的风力使风力摆摆动，当摆杆与竖直方向呈角度θ时，电机产生相反的风力，使摆杆恢复到初始稳定状态.在风力摆万向节点B位置处，电机旋转产生如图2所示的风力F，因此必须由另一个与其相对应的电机提供一个相反的力，才能使摆杆做定长单摆运动，产生直线运动轨迹.通过设定的半径，利用PID算法计算出不同电机驱动信号的占空比，使电机产生一个做圆周运动的力，则风力摆做圆周运动.根据风力摆的摆杆长度或角速度，可以设置风力摆运动轨迹的半径值；或根据风力摆运动轨迹的半径计算出摆杆角度，利用PID算法调节进入单片机的角度值，通过改变PWM波调节电机转速，能够得到不同角度或不同大小的圆形运动轨迹，风力摆的角度分析如图3所示.设摆杆长度为L，设定圆的半径是R，则θ表示为：本系统的程序采用IAR编程软件，C语言编写而成，采用模块化结构设计，软件设计流程如图4所示.系统采用PID算法控制空心杯电机的转速，通过调节系统的比例参数来控制响应幅度，调节系统的积分参数来弥补响应的不足，调节系统的微分参数来提前预知系统的运动趋势，以减小系统误差，使系统形成一个闭环控制系统.通过陀螺仪实时采集当前风力摆姿态角状态，并与前一次的数据做差，计算出误差，利用电机制动使风力摆的运动状态发生改变，快速到达稳定状态.采用嵌入式编程思想，以优化操作界面显示，利于变量控制.在程序里开启了两个定时器，分别是TimeA和TimeB，TimeA负责数据的采集和显示，按键扫描；TimeB负责PWM波的输出，从而控制空心杯电机，若风力摆没有达到预先设定的轨迹，通过计算误差，反馈给电机，形成一个闭环控制系统.在数据采集时，直接采集十次数据放在数组里，通过冒泡排序法取出数据里面的最大值和最小值，再将剩下的数据求平均值，以减小采集数据误差［20］.在实验室条件下对风力摆进行状态控制实验，结果表明风力摆能实现定长直线运动轨迹、圆周运动轨迹及快速制动，但由于系统受摆杆机械结构误差的影响，导致陀螺仪对摆杆的姿态数据采集部分存在较小误差；同时由于电机初始转速低，风力小，致使风力摆的摆动幅度小，因此难以实现对小角度的运动轨迹控制.设计的风力摆控制系统以MSP430F149单片机作为控制核心，实现了风力摆的运动轨迹控制，并且运动轨迹受外力作用影响发生改变时，风力摆系统可以通过单片机对直流电机的转速控制，实现自身调节快速恢复到原来的运动轨迹.【相关文献】［1］李慧君，张宇鑫，姚旭.基于单片机的风摆控制系统研究与设计［J］.电力学报，2015，30（5）：426-430.［2］孙蓉，李冰，权申明，等.基于风力摆的综合实训平台［J］.实验技术与管理，2016，33（9）：75-78.［3］王桔，洪梅.风力摆控制系统的设计［J］.长春大学学报，2015，25（12）：12-15.［4］苏宁远，张晨亮.基于MK60FN1MOVLQ15的风力摆控制系统设计［J］.仪表技术，2016（8）：23-25.［5］孙湉，张刚，邓彬伟，等.风力摆自动控制系统的设计及测试［J］.湖北理工学院学报，2016，32（3）：5-9.［6］杨平，王威.MSP430系列超低功耗单片机及应用［J］.国外电子测量技术，2008，27（12）：48-50.［7］沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.［8］张军，陈慧丽.基于MSP430单片机和DS18B20的数字温度计［J］.电子设计工程，2010，18（11）：106-109.［9］张承岫，李铁鹰，王耀力.基于MPU6050和互补滤波的四旋翼飞控系统设计［J］.传感技术学报，2016，29（7）：1012-1015.［10］林宇，方方，林泽萍.基于MPU6050三轴倾角测控设计［J］.数字技术与应用，2016（1）：181.［11］谷丽华，崔畅，高松巍，等.基于MPU-6050的步态信号采集系统［J］.沈阳工业大学学报，2015，37（2）：176-182.［12］叶龙.基于MPU6050传感器的方位角倾角算法研究［D］.长春：吉林大学，2015. ［13］陶志成，张海.MPU6050和STM32L152的微功耗三维无线鼠标设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2015（12）：1-4.［14］冯大力.空心杯直流电机的特点及其应用［J］.电工技术，1985，30（8）：15-17.［15］钱儿.空心杯永磁同步电机控制系统研究［D］.上海：上海大学，2009.［16］张青，阮健，李胜，等.空心杯直流伺服电-机械转换器控制器设计［J］.轻工机械，2013，31（3）：36-40.［17］孙绪才.L298N在直流电机PWM调速系统中的应用［J］.潍坊学院学报，2009，9（4）：24-26.［18］李付军.一种基于80C196KC和L298N的直流电机PWM控制技术［J］.自动化技术与应用，2012，31（3）：78-81.［19］孙会娟，张宁.大角度单摆运动的周期研究［J］.北京联合大学学报：自然科学版，2006，20（4）：73-75.［20］瞿朝成，达文姣，岳秋菊，等.基于链表的冒泡排序算法研究［J］.甘肃高师学报，2011，16（5）：33-34.。

论文题目:风力摆控制系统设计学生：庞刚学号：201206070422院（系）：电气与信息工程学院专业：自动化124指导教师：郑恩让2016年 1 月 4 日风力摆控制系统庞刚（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021）摘要：本组选择的是2015年大学生电子竞赛B题——风力摆控制系统。

针对于题目基础部分与发挥部分要求，设计了一个以飞思卡尔公司单片机MK60为控制单元、2对垂直放置的轴流风机组为执行器单元、陀螺仪传感器和加速度传感器以信息融合方式实现的（角度）传感器单元形成了一个三维空间的闭环控制系统（风力摆控制系统）。

在此基础上首先利用空间矢量法将被控量投影到X和Y 两个独立坐标上，分别利用相互独立的PID、FUZZY等控制方法实现风力摆系统系列动作。

实验表明：本竞赛小组设计制作的风力摆系统能够以较高的精度完成各种任务。

关键词：风力摆，MK60，轴流风机，角度传感器，空间矢量法，PIDWind pendulum control systemP ANG Gang(Shaanxi University of Science & Technology, Academy of electronic information and electricalengineering ,ShanXi Xi’an 710021)Abstract: The Undergraduate Electronic Competition in this group chose B question - Wind pendulum control system. For the base portion and play in the title part of the requirements, we designed a Freescale microcontroller MK60 control unit, two pairs of vertically disposed axial air units for the actuator unit, a gyro sensor and an acceleration sensor information fusion way to achieve (angle) sensor units form a closed loop control system of a three-dimensional space (wind pendulum control system). Firstly, on the basis of space vector will be charged the amount projected onto X and Y coordinates of two separate, independent of one another, respectively PID, FUZZY and other control methods to achieve a wind pendulum series of actions. Experimental results show that: The race team designed a wind pendulum system with high accuracy can complete various tasks.Keywords: Wind swing, MK60, axial fans, angle sensors, space vector, PID1 方案论证首先我们对该系统的结构及风力摆运动控制方案的比较论证。

风力摆论文报告WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-风力摆控制系统（B题）摘要本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块，液晶显示模块，直流电机，驱动模块以及姿态检测模块构成闭环系统。

其中控制模块采用STM32F103为控制芯片，直流电机为执行机构，电子调速器为电机驱动。

MPU6050采集风力摆姿态角，MCU处理姿态角数据后通过PID算法调节直流风机以控制风力摆快速画直线、摆角度，恢复静止的功能，并能按照要求画圆，在受风力影响后能够快速恢复画圆状态。

另外本系统采用OLED显示屏实现了友善方便的人机交互界面。

关键词：STM32F103 MPU6050 PID算法电子调速器?1系统论证与比较系统基本方案本系统主要由主控制模块、姿态检测模块、液晶显示模块，电机驱动模块和悬挂模块四部分组成，实现了风力摆控制系统。

系统框图如图1所示。

图1 风力摆控制系统总体框图姿态检测方案的论证与选择方案一：倾角传感器。

倾角传感器运用牛顿第二定律，根据定律，当倾角传感器静止的时候，由于物体的侧面还有垂直方向是受到其他力的作用，只有重力的作用，也就是说作用在它身上的就只有重力加速度了，所以由此产生的重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角，可以用来测量相对于水平面的倾角变化量，就是我们所说的倾斜角。

但是倾角传感器侧重于静态测量，不适合检测运动物体的角度变化。

方案二：MPU6050。

MPU6050六轴传感器集成3轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS 加速度计，每个轴对应有一个16位AD转换器。

正常工作时，陀螺仪和加速度计分别采集X轴，Y轴，Z轴的电压值，然后通过AD转换，转换成数字信号，最后通过I2C总线传送到控制芯片，但此时得到的值不是实际的角度和角速度值，还必须经过一定的比例关系进行转换，才能得到实际的角度和角速度值。

该传感器整合了6轴运动处理组件，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。

2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）2015年8月15日风力摆控制系统摘要STC89C52是单片机里应用比较广泛的一款，在自动控制领域里享有很高的价值。

本设计采用STC89C52单片机作为主控制芯片，设计并制作一套风力摆控制系统。

该系统主要是以单片机最小系统模块、电源模块、电机驱动模块、12864液晶显示模块组成的。

利用三轴加速度陀螺仪MPU-6050对轴流风机姿态的采集反馈给STC89C52，通过PID控制算法提高动态性能，实现类似自由摆运动、幅度可控的摆动，以及按照设置的方向（角度）摆动等功能。

关键词：STC89C52，三轴加速度陀螺仪、L298N驱动、轴流风扇、12864液晶显示。

AbstractSTC89C52 is a wide range of applications in the micro controller, in the field of automatic control to enjoy a high value. This design uses STC89C52 micro controller as the main control chip, design and manufacture a set of wind pendulum control system. The system is mainly based on single-chip micro- computer system module, power supply module, motor driver module, 12864 LCD module. Using the three axis acceleration gyroscope MPU-6050 to collect feedback to the STC89C52, the PID control algorithm is used to improve the dynamic performance, and to achieve a similar free swing motion, the am- plitude controllable swing, and in accordance with the direction of setting (angle) swing and other functions.Keywords:STC89C52, three axis acceleration gyroscope, L298N drive, axial flow fan, 12864 LCD目录一．方案论证 (1)1. 系统方案的总体程序框图 (1)1.1微控制器的论证与选择 (1)1.2风扇控制方案选择 (1)1.3电机驱动的论证与选择 (2)1.4速度控制的论证与选择 (2)1.5 角度测量方案选择 (2)1.6 显示方案选择 (3)二．系统理论分析与计算 (3)2.1风扇调试原理 (3)2.2风力摆状态测量与计算 (4)2.3控制算法分析 (4)三．系统结构 (5)3.1机械结构 (5)3.2测控电路结构 (5)四．系统软件 (6)4.1主程序流程框图 (6)五.测试方案及结果 (6)六．结束语 (7)七．参考文献 (8)附录一.系统方案：1.系统总体设计框图如下图所示1.1微控制器的方案选择与论证方案一：采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。