基于stm32低功率風力擺控制系統的研究

張祥慶　尹慶慶　張浩然　劉沂青　葛偉楠　山東師范大學　山東濟南　250358

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基于stm32低功率風力擺控制系統的研究

張祥慶尹慶慶張浩然劉沂青葛偉楠山東師范大學山東濟南250358

【文章摘要】

系統采用STM32F103V系統板作為控制中心，與萬向節、擺桿、2W低功率軸流風機、激光頭、反饋裝置一起構成擺桿運動狀態與風機速度分配的雙閉環調速系統。單片機移植入ucos操作系統，可以穩定地控制程序，輸出可變的PWM波給軸流風機，控制4個方向上風機的風速，從而產生大小不同的力。利用加速度計模塊MPU6050防止脫離運動軌跡?？刂品绞讲捎肞ID算法加快動態響應。從而使該系統具有很好的穩定性。

【關鍵詞】

STM32F103V；ucos；2W軸流風機；MPU6050；PID

0　引言

眾所周知，軸流風機功率越大，其機動性越強，受控制能力越好，所需要的算法難度也會降低；而如果軸流風機功率很小，那么它的可控性就會降低，所需要的算法難度大大增加。目前，在這種控制領域一般采用40W以上甚至100W以上的無刷電機加上扇頁，供以220V交流電或者大功率直流電來驅動電機，這種電機提供了足夠的動力，使得風機控制算法難度大大降低。因為功率太大使得轉速太快以及風機結構為裸露扇葉，導致了噪音大、功耗高、危險系數大等問題，這些問題使得存在很大的缺陷與隱患。

1　控制方案

1.1控制系統

我們采用STM32F103V單片機做為主控芯片，移植ucos操作系統，用加速度計陀螺儀模塊MPU6050來計算角度和風機狀態，用軸流風機帶動擺桿運動。當MPU6050檢測到擺桿的角度時，可根據三角函數公式計算出擺桿現在距離中心的具體位置，單片機會控制PWM波的輸出大小來控制風機的風速與方向，使擺桿達到在特定位置靜止或按照一定的軌跡運動。在此過程中，單片機做出A/D采樣，防止發生軌跡偏移。

1.2數據處理

通過加速度計陀螺儀模塊MPU6050檢測風力擺擺桿的傾角數據。MPU6050集成了3 軸MEMS陀螺儀。MPU6050和所有設備寄存器之間通信采用I2C接口，實現高速通信。內置卡爾曼濾波器，精確測量風力擺當前姿態角。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別采用了16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量，通過DMP處理器讀取測量數據然后通過串口輸出。

2　軟件設計

2.1PID算法基本原理

系統采用PID算法來控制風機轉動的速度，風機開始工作后，MPU6050不斷采集當前擺桿擺腳狀態，并與之前的狀態進行比較，使得擺桿運動狀態趨于穩定。PID算法控制器由4個風機速度分配比例P角度誤差積分I角度微分D組成。

其輸入e(t)與輸出U（t)關系為：

傳遞函數為：

2.2主體算法設計

算法設計要考慮風機二維的運動和三維的運動并加。采用閉環控制，設定一個閾值，單片機檢測到閾值，控制軸流風機，維度不同做出不同的反應。無論二維還是三維，都需要使用PID算法控制，提高軸流風機的穩定性。

為了克服軸流風機動力不足的問題，需要在接入主體控制算法之前進行強制動力拉升，持續一段時間，然后接入PID算法，使得風機快速穩定下來。

由于移植了操作系統ucos，配合ARM單片機，使得程序的穩定性大大增強。

2.3法實際效果

穩定性：移植了ucos的新系統的穩定性大大增強，并且在控制上沒有滯后的問題，靈敏度大大增強。

功耗：功耗為大功率直流無刷電機的0.5%到1%，發熱降低，可持續工作時間大大延長，而且節約了能源。

噪音：無嘯叫聲。

安全性：安全性較無刷電機大為提高。

3　結語

綜上所述，本系統基本實現了測試要求，并且具有低噪音、低功耗、安全系數高的特點。高性能的單片機和操作系統、好的算法，起到至關重要的作用，彌補了低功率風機動力的不足，并且大大增加了穩定性。

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