基于STM32的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃一珀+丁斌+董楊+潘嘉睿

【摘要】 該風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是由單片機(jī)控制核心、ADXL345 數(shù)字三軸重力加速度芯片、直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及液晶顯示模塊幾個(gè)部分構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。利用單片機(jī)產(chǎn)生不同占空比的PWM波給驅(qū)動(dòng)模塊讓其產(chǎn)生正弦波驅(qū)動(dòng)為電機(jī)提供工作電壓，運(yùn)用相位合成和占空比調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)軌跡控制，通過實(shí)際數(shù)據(jù)試驗(yàn)出風(fēng)力擺的控制規(guī)律，穩(wěn)定的完成了風(fēng)力擺的直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)要求。

【關(guān)鍵詞】 正弦波 角度傳感器 直流電機(jī)

一、設(shè)計(jì)方案及原理分析

本系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、擺桿角度測量模塊、電機(jī)和電源等組成，下面分別論證一下幾個(gè)模塊的選擇。

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是一個(gè)完整的測量控制系統(tǒng)，其中的機(jī)械結(jié)構(gòu)則是這個(gè)測控系統(tǒng)的對象，對象的好壞在很大程度上會(huì)影響到后期控制算法的設(shè)計(jì)，對象制作的越穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)的性能就會(huì)越好。所以在制作這樣一個(gè)精密控制系統(tǒng)的時(shí)候，前期的機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作是非常關(guān)鍵的一步，在制作的時(shí)候要盡量確保它的穩(wěn)定性，例如選用合適的材料、采用盡量好的制作工藝等。該風(fēng)力擺控制系統(tǒng)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)大概分成以下幾部分，風(fēng)機(jī)、擺桿、擺桿轉(zhuǎn)軸、底座和激光筆。

1.2控制模塊方案

采用STM32F103單片機(jī)作為主控芯片。STM32F103基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex—M3內(nèi)核，強(qiáng)大的定時(shí)、中斷功能，方便對傳感器模塊和電機(jī)的控制，可以快速進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算。同時(shí)具有大容量的RAM和ROM，可存儲(chǔ)大容量的程序。編程時(shí)可以直接調(diào)用庫函數(shù)，提高編程效率。能夠較為迅速的從傳感器中采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并快速反饋給電機(jī)進(jìn)行下一步動(dòng)作。

1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案

采用L298N驅(qū)動(dòng)。L298N是一種全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，結(jié)合單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的精確控制，調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻率的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻率的無級快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

1.4擺桿角度測量模塊方案

采用加速度傳感器模塊ADXL345。該傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠檢測不到1°的傾角變化，并且具有很高的可靠性。這十分有利于對角度的取樣和對風(fēng)力擺的控制。

1.5電機(jī)的選取方案

采用直流電機(jī)。直流電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速性能好，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，通過單片機(jī)輸出PWM波很容易實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止等操作。

1.6電機(jī)工作方式的選取方案

采用正弦波的工作方式。采用正弦波給電機(jī)供電，通過調(diào)節(jié)幅值來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，讓兩個(gè)方向都以正弦波運(yùn)動(dòng)，合成后運(yùn)動(dòng)軌跡更接近圓，且容易控制和調(diào)節(jié)。

二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在液晶上顯示界面，用戶通過按鍵模塊進(jìn)入對應(yīng)的模式來完成相應(yīng)的功能。而后控制器讀取角度傳感器的數(shù)值，整合計(jì)算后發(fā)出特定頻率和占空比的PWM波形，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出不同的電流、電壓，最終使擺桿完成需要的動(dòng)作。系統(tǒng)中的唯一動(dòng)力來源于直流電機(jī)，通過L298N驅(qū)動(dòng)板可以產(chǎn)生相應(yīng)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，靈敏性好，同時(shí)控制所用的PWM波使用方便。

加速度傳感器模塊ADXL345作為角度測量傳感器，將系統(tǒng)的擺桿角度信息反饋給單片機(jī)，并根據(jù)設(shè)定的程序，作出一系列的控制調(diào)節(jié)，使擺桿完成相應(yīng)的動(dòng)作。

試驗(yàn)測試以及各功能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)：1、完成了劃出預(yù)設(shè)長度的線段。根據(jù)需要的線段長度，設(shè)定對應(yīng)的角度值，在擺桿運(yùn)動(dòng)的過程中，依據(jù)角度測量傳感器傳輸回來的角度值，調(diào)節(jié)擺桿的角度到預(yù)定的角度值，通過算法不斷修正，進(jìn)而畫出對應(yīng)長度的線段。2、完成了預(yù)設(shè)角度的偏移。根據(jù)需要的角度，設(shè)定對應(yīng)的角度值，使相鄰的兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，根據(jù)角度測量傳感器傳輸回來的角度值，結(jié)合PID算法來調(diào)節(jié)擺桿的相應(yīng)方向的偏移角度，進(jìn)而畫出預(yù)設(shè)角度偏移的線段。3、完成了擺桿的制動(dòng)功能。根據(jù)程序中不同的模式調(diào)節(jié)，當(dāng)需要制動(dòng)功能時(shí)，給予電機(jī)反相位的正弦波驅(qū)動(dòng)，根據(jù)x，y兩個(gè)方向的分別調(diào)節(jié)制動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)5s內(nèi)完成制動(dòng)功能。4、完成了預(yù)設(shè)直徑的圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，給四個(gè)電機(jī)依次間隔四分之一周期輸入正弦波驅(qū)動(dòng)，根據(jù)直徑要求，調(diào)節(jié)正弦波驅(qū)動(dòng)的幅值，即可改變圓的直徑，根據(jù)角度測量傳感器傳輸回來的數(shù)據(jù)，結(jié)合PID算法實(shí)時(shí)進(jìn)行修正，完成預(yù)設(shè)直徑的圓周運(yùn)動(dòng)。

三、測試結(jié)果

將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)濾波，得到近似正弦曲線，取相應(yīng)方向的最大值，可以得到該方向上擺桿的角度，結(jié)合PID算法對運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整修正。較好的完成了預(yù)期的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)要求，測試過程中，完成了對指定長度以及指定角度的直線運(yùn)動(dòng)，以及指定直徑的圓周運(yùn)動(dòng)。具有誤差小，穩(wěn)定快的特點(diǎn)。

四、創(chuàng)新特色總結(jié)

此風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以STM32F103單片機(jī)為控制核心，采用ADXL345角度傳感器實(shí)時(shí)采集擺桿旋轉(zhuǎn)的角度信息，并通過單片機(jī)控制直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)擺桿的各種姿態(tài)。同時(shí)結(jié)合適當(dāng)PID算法修正偏差，以實(shí)現(xiàn)控制要求。本次所設(shè)計(jì)的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)能夠完成實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的基本部分和發(fā)揮部分的所有指標(biāo)。總結(jié)該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程，具有以下三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：首先，采用ADXL345角度傳感器進(jìn)行角度采集，無需額外附加驅(qū)動(dòng)電路，精簡了整體電路設(shè)計(jì)。因而該設(shè)計(jì)方案具有角度值精確度高，旋轉(zhuǎn)方向判別穩(wěn)定可靠，硬件電路接口簡單等優(yōu)點(diǎn)。其次，采用直流電機(jī)，它具有體積小，重量輕，力矩大，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)。再次，在該設(shè)計(jì)的程序編寫方面，用角度傳感器直接計(jì)算出擺桿的角度，然后通過PID算法修正，通過兩者的修正關(guān)系，極大地提高了實(shí)驗(yàn)精確度。以上三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)是該設(shè)計(jì)方案取得良好實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有力保障。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案也存在不足和有待完善之處。如PID修正雖然提高了實(shí)驗(yàn)精度，但在實(shí)際情況中，硬件干擾會(huì)降低實(shí)驗(yàn)的成功率。

參 考 資 料

[1]譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012；

[2]全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會(huì).全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品選 [M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007

[3]胡壽宋.自動(dòng)控制原理[M].6版.北京：科學(xué)出版社，2013