基于STM32的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計

黃一珀+丁斌+董楊+潘嘉睿

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

【關(guān)鍵詞】 正弦波 角度傳感器 直流電機

一、設(shè)計方案及原理分析

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

1.1機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是一個完整的測量控制系統(tǒng)，其中的機械結(jié)構(gòu)則是這個測控系統(tǒng)的對象，對象的好壞在很大程度上會影響到后期控制算法的設(shè)計，對象制作的越穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)的性能就會越好。所以在制作這樣一個精密控制系統(tǒng)的時候，前期的機械結(jié)構(gòu)的制作是非常關(guān)鍵的一步，在制作的時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，機械結(jié)構(gòu)大概分成以下幾部分，風(fēng)機、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)計的ARM Cortex—M3內(nèi)核，強大的定時、中斷功能，方便對傳感器模塊和電機的控制，可以快速進行復(fù)雜的運算。同時具有大容量的RAM和ROM，可存儲大容量的程序。編程時可以直接調(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)進行處理，并快速反饋給電機進行下一步動作。

1.3電機驅(qū)動模塊方案

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

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

1.6電機工作方式的選取方案

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

二、系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)運行時，在液晶上顯示界面，用戶通過按鍵模塊進入對應(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，整合計算后發(fā)出特定頻率和占空比的PWM波形，控制電機驅(qū)動模塊輸出不同的電流、電壓，最終使擺桿完成需要的動作。系統(tǒng)中的唯一動力來源于直流電機，通過L298N驅(qū)動板可以產(chǎn)生相應(yīng)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，靈敏性好，同時控制所用的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，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)的動作。

試驗測試以及各功能指標的實現(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，在擺桿運動的過程中，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，使相鄰的兩個電機同時工作，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，進而畫出預(yù)設(shè)角度偏移的線段。3、完成了擺桿的制動功能。根據(jù)程序中不同的模式調(diào)節(jié)，當需要制動功能時，給予電機反相位的正弦波驅(qū)動，根據(jù)x，y兩個方向的分別調(diào)節(jié)制動，可實現(xiàn)5s內(nèi)完成制動功能。4、完成了預(yù)設(shè)直徑的圓周運動。當需要做圓周運動時，給四個電機依次間隔四分之一周期輸入正弦波驅(qū)動，根據(jù)直徑要求，調(diào)節(jié)正弦波驅(qū)動的幅值，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算法實時進行修正，完成預(yù)設(shè)直徑的圓周運動。

三、測試結(jié)果

將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行滑動濾波，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算法對運動軌跡進行實時調(diào)整修正。較好的完成了預(yù)期的各項實驗要求，測試過程中，完成了對指定長度以及指定角度的直線運動，以及指定直徑的圓周運動。具有誤差小，穩(wěn)定快的特點。

四、創(chuàng)新特色總結(jié)

此風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計，以STM32F103單片機為控制核心，采用ADXL345角度傳感器實時采集擺桿旋轉(zhuǎn)的角度信息，并通過單片機控制直流電機實現(xiàn)擺桿的各種姿態(tài)。同時結(jié)合適當PID算法修正偏差，以實現(xiàn)控制要求。本次所設(shè)計的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)能夠完成實現(xiàn)預(yù)設(shè)的基本部分和發(fā)揮部分的所有指標。總結(jié)該設(shè)計實現(xiàn)過程，具有以下三個方面的優(yōu)點：首先，采用ADXL345角度傳感器進行角度采集，無需額外附加驅(qū)動電路，精簡了整體電路設(shè)計。因而該設(shè)計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。其次，采用直流電機，它具有體積小，重量輕，力矩大，運行可靠等優(yōu)點，非常適合本系統(tǒng)。再次，在該設(shè)計的程序編寫方面，用角度傳感器直接計算出擺桿的角度，然后通過PID算法修正，通過兩者的修正關(guān)系，極大地提高了實驗精確度。以上三個方面的優(yōu)點是該設(shè)計方案取得良好實驗結(jié)果的有力保障。同時，該設(shè)計方案也存在不足和有待完善之處。如PID修正雖然提高了實驗精度，但在實際情況中，硬件干擾會降低實驗的成功率。

參 考 資 料

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

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

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