风力摆系统设计

风力摆系统
摘要
风力摆系统是一种利用风力对物体进行位置控制的设备，在我国虽然还没有成品的销售与应用，但这种控制理论已经应用于方方面面。

目前的普遍问题风力摆系统的自动控制水平不高。

本设计将设计一款智能的风力摆控制系统。

主要控制程序由STM32来实现。

通过三轴陀螺仪进行角度采集，采集过来的角度值在进行卡尔曼滤波处理，最后将其应用到风力摆系统的控制程序中。

主要实现对风力摆进行偏角的收集和计算、控制其运动轨迹，包括其角加
本设计主控制器利用STM32作为开发硬件系统。

它能够对系统进行良好的操控，包括控制与监测风力摆的运动状态、角度值、加速度和平衡参数。

轴部是通过万向节连接的，整体运动自如是通过它来实现。

系统整体架构清晰，便于操控。

关键词:风力摆;STM32;陀螺仪;卡尔曼滤波
Abstract
Windpendulumsystemisakindofmicrocontrolequipment,thoughnotyetfinishedp roductsalesandapplicationinourcountry,butthiskindofcontroltheoryhasbeenusedin everyaspect.Atpresentthecommonproblemsofwindpowersystemautomaticcontroll
evelisnothigh.Thisdesignwilldesignaintelligentwindpendulumcontrolsystem.Thema incontrolprogramimplementedbythestm32.AcquisitionthroughthetriaxialgyroAngl e,theAngleofthecollectedvaluesinthekalmanfilterprocessing,theAnglevalueshavebe enobtainedthroughcomparingtheAnglevaluesbeforeandafterjudgmentaftertheosci llationamplitude,windpendulumswingwillneedthesizeoftheforceisconvertedintoPW Mvalue,thenoutputtothemotordrive,ofcourse,whenthemotortodrivetheoutputtone edtoaddtheprotectionlightcouplingforphotoelectricisolation.Controlsystemtoproce ssthedataofeachsensormeasurementandcalculation,thecorrespondingequipmentd eviceeffectively,goodcontrol,thesystemcanrunsafelyandeffectively.ThisdesignusesS TM32asmaincontrollerhardwaresystemdevelopment.Itcancarryonthegoodcontrolof thesystem,includingthecontrolandmonitoringwindpendulummotionstate,Angle,acc eleration,andbalanceparameters.Axisisthroughuniversaljointconnection,andtheove rallfreelyistoachievethroughit.Overallsystemstructureclear,easytocontrol.Keywords: STM32,microwindpendulumcontrollightcouplinggyroscope
Contents
TOC \o "1-3" \h \z \u 摘要II
AbstractIII
CONTENTSVI
第1章绪论8
1.1课题背景8
1.2课题的来源9
1.3课题的国内外现状9
1.4本课题研究的内容10
第2章总体方案的设计11
2.1系统功能、要求及原理分析12
2.1.1设计任务12
2.1.2系统机械结构12
2.2控制方式选择13
2.2.1角度测量方案的论证与选择13
2.2.2直流风机驱动模块的论证与选择14 2.2.3控制系统的论证与选择14
2.2.4风力摆运动控制方案的选择与论证15 2.2.5电源方案的论证与选择15
2.2.6电机速度控制16
2.2.7控制算法的选择16
2.2.8理论分析与计算16
2.3控制系统方案17
第3章风力摆控制系统硬件设计17
3.1芯片选用18
3.2控制流程图20
3.3角度采集控制设计20
3.4程序滤波设计22
3.5光电隔离设计22
3.6系统主电路设计24
3.7电机控制设计24
3.8电源以及稳压模块设计27
3.8.1LM2596S电源模块27
3.8.2LM7805稳压芯片及应用电路28
第4章控制系统程序设计29
4.1程序需求30
4.2主程序流程图30
4.3控制程序流程图30
4.4PWM输出设计31
4.4.1Pwm构成31
4.5PID及其应用34
4.5.1模拟PID控制规律及实现方法35 4.5.2数字PID控制36
4.5.3增量式PID37
4.5.4PID参数整定37
4.5.5PID控制分析38
4.6圆形轨迹摆动控制39
致谢40
参考文献41
CONTENTS
TOC \o "1-3" \h \z \u AbstractI
摘要II
AbstractIII
CONTENTSVI
第1章绪论8
1.1课题背景8
1.2课题的来源9
1.3课题的国内外现状9
1.4本课题研究的内容10
第2章总体方案的设计11
2.1系统功能、要求及原理分析12
2.1.1设计任务12
2.1.2系统机械结构12
2.2控制方式选择13
2.2.1角度测量方案的论证与选择13
2.2.2直流风机驱动模块的论证与选择14 2.2.3控制系统的论证与选择14
2.2.4风力摆运动控制方案的选择与论证15 2.2.5电源方案的论证与选择15
2.2.6电机速度控制16
2.2.7控制算法的选择16
2.2.8理论分析与计算16
2.3控制系统方案17
第3章风力摆控制系统硬件设计17
3.1芯片选用18
3.2控制流程图20
3.3角度采集控制设计20
3.4程序滤波设计22
3.5光电隔离设计22
3.6系统主电路设计24
3.7电机控制设计24
3.8电源以及稳压模块设计27
3.8.1LM2596S电源模块27
3.8.2LM7805稳压芯片及应用电路28
第4章控制系统程序设计29
4.1程序需求30
4.2主程序流程图30
4.3控制程序流程图30
4.4PWM输出设计31
4.4.1Pwm构成31
4.5PID及其应用34
4.5.1模拟PID控制规律及实现方法35 4.5.2数字PID控制36
4.5.3增量式PID37
4.5.4PID参数整定37
4.5.5PID控制分析38
4.6圆形轨迹摆动控制39
致谢40
参考文献41
绪论
课题背景
风力在能源方面的应用最早可追溯到古代世纪初，那时人们利用风吹动帆，在海上驾驭
大型船只。

而后，有衍生出很多有关风的应用。

如那时候人们发明出风车，用风车带动下方连接的磨盘来研磨各种豆类。

而这么精妙的结构只不过是风力的一个简单的应用而已。

对我们而言，一提到风力的应用，我们首先就会想到风车，风筝，风力发电等。

而这些我们所提到的东西都是利用自然风去影响或者改变其他事物，将风转化成另外一种形式的能。

多用到的多半是自然风。

而我们这一课题则利用的是另外一种形式，即产生风后，利用风对空气的压力或推力对物体的位置进行控制。

这个理论听起来简单，实际却并不是特别容易。

举几个简单的例子：直升机，利用发动机带动螺旋桨产生风力，这种风力带动周围的空气对某一方向的空气进行挤压，从而产生反作用力作用回螺旋桨。

从而带动飞机，使其能够自由升降和飞行。

这一控制理论极为复杂，因为各种环境因素众多，系统有着非线性、多变性等特点。

而正因为如此，其应用前景也相当之大，就飞行器来说，这一理论的研究有着极为重要的意义。

而我国，更是对它有着众多的需求，其人才缺口在近几年也是比较大的。

空气动力学、传动与控制理论、都叙述了其在控制领域的地位与发展。

对这一学科的探索，应该寻觅到人对弹药和生物在飞行时的所受到的力各种设想。

到了17世纪的中期，HYPERLINK "/doc/1427150.html" \t "/doc/_blank" 芬兰的一名学者名叫惠斯首先算出了物体在空气中运动时所受到的阻碍力。

由此可见，风力在人们的生活中无处不在，与人们的日常生活息息相关。

对其研究的进一步深入，将有助于提升我国的综合国力，为中华航天事业乃至空气动力学添砖加瓦使我们责无旁贷的义务。

课题的来源
此设计的灵感来源于2015年的全国大学生电子设计大赛，组委会为不同类型的电类学
科出了不同的考题，而其中B组题就是风力摆控制系统，大赛对这一系统的构架与功能提出了诸多要求，有难有易，对整个系统也提出了一个大致的框架，也给出了几点建议。

就大赛而言，主要考察学生的综合能，包括完成速度、反应能力、抗压能力与应对问题的能力，所以说题目的含金量也是很大的。

这一题目如果想要较好的被完成，学生们需要掌握很多相关专业知识和一些物理方面的知识，同时对流体力学、空气动力学都应该有一定的了解和领悟。

就现如今的科研水平来讲，风力摆的应用还是相当广泛的。

除飞机、航天器材方面的应用外，平衡力学也需要应用风力摆的控制原理。

如在一些高楼大厦上用绳子垂吊着擦玻璃的空中飞人们，需要在移动高度上保持平衡才能更好地进行工作，但遇到有风的天气，就会极大增加工作难度，甚至还会提高危险系数，因为在空中随风摇摆对他们而言可能是致命的。

这就需要一种风力控制系统在来风的时候对偏移角度进行分析和运算，得到与之相抵消的力再通过控制风扇将其抵消。

这样就会大大增加工人们的安全保障。

而这只是风力摆控制系统的一个小方面的应用。

更多更广的应用有待一代又一代的技术工作者们继续将其挖掘。

很长时间以来，人们对风力操作控制在国家经济生产中的地位认识不够深刻，资金投入较少，风力控制设备控制精度不高，有的还停留在手工经验水平上，我国风力控制技术的发展仅相当于发达国家的70%左右。

我国的基本国情和发展现状决定了在未来的段时间里我国将继续深入研究风力控制与控制技术，在短时间内使其提高，达到西方国家水平。

仅科研前景而言，对于国家的可持续发展将有巨大的推动作用。

随着科学技术飞速发展，STM32微处理器控制方式被许多控制系统采用。

在包罗万象的科技中，其主要应用于对一些算法的处理，包括PID算法、卡尔曼算法以及一些复杂数据结构的搭建。

课题的国内外现状
风力摆是一种较为新型的控制设备，在国内也是刚刚起步，而在外国，已经出现了类似结构原理的机械设备并应用于工业和监测行业中。

现在环境问题已经成为当今社会的一个巨大的问题。

所以提高环境检测精度和速度已经成为了一个值得探讨与研究的问题。

在西方发达国家，风力摆系统已经应用如一定范围内气体分布的抽样检测，将传感器悬挂于风力摆之上，当想要检测一定范围内的空气组成成分时将位置通过运算转换成风机的转速，与外接传感器形成闭环控制，较好的检测出不同位置的空气质量，从而对环境有更为确切的了解。

采用了包括自动寻找最优路径、定位控制等多种控制方法，增加其稳定度。

这也表明了我国风力摆微控制技术的相对较弱。

因此，我国迫切需要一些对高精确度控制系统的实际研究与应用。

随着科学技术与电子信息产业的迅猛发展，风力控制嫣然已经成为了当今时代的主流和热门话题。

随着国内外电子科技的不断更新，风力控制所涉及到的领域也越来越广泛起来。

而且利用风力控制所制造出来的产品，更多的流入了市场，更多的进入了千家万户。

进入到了我们的实现生活中。

而这其中，风力控制也已经在市场上占有了很大的份额。

在国内利用风力摆原理对电机进行精确控制，我们的四旋翼飞行器才能更加的平稳。

有的城市中有向日太阳能板，也是通过对信息的采集、分析，判断太阳方向，从而根据其数据控制电机定向定量改变太阳能板的角度，达到最大储能。

从而更好地为路灯进行供电，为夜晚的交通安全提供了有力保障。

这样的例子在国内外还有很多很多，应用前景都非常广泛。

如飞行器材，雷达的灵活运转等。

而相比之下，国内的研究也进行的如火如荼，难分伯仲。

21世纪，我国的科技发展还处于发展中阶段，随着综合国力的不断提升，我国的科技水平也突飞猛进，相信在不久的将来，我国的风力控制技术能居于世界前列甚至举世无双。

本课题研究的内容
根据国内实际情况，本设计的主要目标是：设计一款智能风力摆系统，降低工人劳动量，并提高同类测试、信息采集装置控制方案。

本课题研究的主要内容包括以下几个方面：
了解风力摆的主要功能及控制系统的设计方法：
首先，我们需要一个宏观的对整体功能的把握，所完成的功能需要在我所学的知识储备范围内。

在这其中，我需要对其整体进行细致的分析，包括如何实现控制风扇带动风力摆使其运动轨迹由我们自行控制，计算出最优路径；将不同摆动轨迹分门别类，我们自行研究与修改。

对风力摆控制进行数学分析并选择合理的控制方式：
在确定其功能的前提下，对所完成任务的语法、语句进行考究，包括选用何种连接方式、何种循环语句、何种嵌套模式与滤波补偿等等。

对该设备的电控系统的硬件部分进行设计：
包括系统主电路和控制元件的型号参数选择，对整个系统的稳定性进行评估，找出影响其稳定性最重要的因素，将其击破，同时考虑各个元器件之间的兼容性，例如主控芯片的驱动电平信号会不会过高导致主控芯片被烧毁，其大电流电路的信号与控制信号是否被连接在了一起。

对风力摆控制系统的整体结构进行分析。

这一项包括对风力摆整体的物理结构进行一个全方位的分析。

其中最主要的是受力分析，整个框架需要有足够高的稳定性，这就需要对其运动轨迹、运动方式有一个初步的估算，以此确保在任何运动形式下，整个系统都能稳固。

而后还需要对结构的连接点进行确认，因为在系统运行过程中存在不可消除的震动，这一震动对系统的整个运行有一定的影响，所以在必要的时候要对其连接处进行加固和减震处理。

总体方案的设计
系统功能、要求及原理分析设计任务
设计要求
图2-1-1风力摆结构示意图
系统机械结构
本系统的外部结构采用三角梁结构，万向节固定在其顶部伸出的臂杆上，自由摆杆选取碳杆为材料，与万向节嵌套在一起，自由摆的状态是垂直向下。

在自由摆杆的下方把三个空心杯电机互成120角分布，使得风向分别朝向前、左后方、右后方。

摆杆选取碳杆是因为碳杆的强度较大，质量较轻，这样可以大大减小风力摆的负担，便于快速，陀螺仪平放在轴流风机的上方，很好地监测风力摆运动状态。

同时把激光笔安装在自由摆下方垂直向下。

控制方式选择
本系统要求能够精确控制各风机使风力摆按照一定规律运动，故使用陀螺仪传感器、直流风机驱动模块、STM32单片机等模块实现符合系统要求的设计，下面分别论证对于这几个模块的选择。

角度测量方案的论证与选择
度大。

并且以串口模式向MCU输出MPU6050的测量数据。

经过软件滤波后可以得到较为精准的测量值。

此方案优点是该模块体积小，无需复杂的机械结构辅助。

且与MUC连接仅需要2个I/O口[1]。

围为0.5Hz至1600Hz，z轴的带宽范围为0.5Hz至550Hz。

但是其测量动态加速度时的存在较大偏差，并且由于本系统摆杆是在一个三维平面内转动，仅靠三个方向加速度来确定PID控制参数较麻烦。

基于上述理论分析和实际情况，故采用方案二。

直流风机驱动模块的论证与选择
可以通过PWM信号控制输出电压，但是持续工作电流为2A，无法满足大电流风机的需求。

方案二：采用双BTN7971构成H桥的驱动模块，BTN7971芯片是应用于电机驱动的
机转速。

基于上述理论分析和实际情况，故采用方案一[1]。

控制系统的论证与选择
方案一：采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，STC12C5A60S2是一款增强型51内核的8位单片机，与传统51单片机相比具有程序执行速度较快、A/D数据处理便捷、PWM输出方便等优点，但是其仅仅集成两路外部中断和三路定时器，对外部输入信号的处理能力略显不足。

方案二：选择STM32单片机。

其全部10口都可以作为中断输入，而不
需要接到特定的几个脚上，极大的方便了原理图和PCB的设计。

STM32支
持SWD调试，只需要2跟IO线，就可以完成调试和代码下载，对引脚不多
的型号尤其适用。

STM32单片机具有硬件SPI模块，可以直接读取触屏控制寄存器。

STM32最高时钟频率达到72M,使用STM32会使程序运行更高效。

同时它内置震荡电路，不外加晶振也可以工作。

方案三：选择AVR系列芯片。

它的长处就是速度快、低功耗、稳定。

以时钟周期为指令周期，实行流水作业，AVR的专用寄存器集中在00～3F地址区间，使用起来比PIC方便，逻辑运算速度快。

但是其还是存在一定的缺陷，如I/O口叫其他芯片少。

本系统控制算法涉及单闭环，需要采集陀螺仪的实时信号，并且多通道输出PWM调制，为保证输入信号和输出控制快速与精确地处理，根据实用、高效的原则，综合比较以上两种方案，故采用方案二。

风力摆运动控制方案的选择与论证
动过程中状态微调和快速静止不易实现。

方案二：选用三个电机作为动力源。

将三个电机背向而置，每个电机与其他电机的夹角都为120度。

这种做法与方案一相比在控制风力摆姿态调整方面有所加强。

在完成任意角度时能更加精确，无需借助三角函数计算，而在画圆时不同位置PWM比例更加容易调节。

方案三：选用四个电机作为动力源。

将四个电机背对背放置，形成四边形，控制每一个电机的速度就能控制整个风力摆的摆动角度。

此方案风力摆负载最重，若不控制好重量，会造成动力最足，而且角度有所限制，不方便换算。

综合上述比较，考虑系统的快速工作以及精确控制，本系统采用方案二。

电源方案的论证与选择
方案一：使用单电源供电。

这一电源将电能分别发送给电机部分和核心控制板部分，操作简单。

话说回来，空心杯电机转动会给回路带来波动，如果产生回流会给主电路造成致命伤害。

方案二：使用双电源。

空心杯电路和主控电路分隔开，这两部分的电分着发送，而且空心杯和驱动部分利用光耦。

空心杯使用18V~3.3V可控电源模块供电，主控制核心电路控制系统用另一个电源供电。

此方案可确保系统的稳定性，且满足了系统对供电需求。

综合上述比较，考虑系统的安全性、稳定性，本系统采用方案二。

电机速度控制
方案一：采用D/A变换电路将数字量转换成控制电机电压的模拟量。

再利用电平的高低达到调速的目的。

利用数字信号控制模拟信号。

价格较贵。

方案二：采用PWM调制方式，从I/O口输出不同占空比波，经滤波后获得不同高度的电平控制空心杯。

本方案可以达到对速度的控制要求，且控制简单易实现。

将上述两种方法进行对比，我发现两种方式有着很大的不同，前者将数字量和模拟量进行互换。

但是精度跟不上，后者相比较前者显然更好完成。

所以选用方案二。

控制算法的选择
馈的频率太低，导致了电机的速度误差的不确定性，符合模糊控制范畴，但是其算法编程复杂，数据处理量大。

方案二：采用PID算法，PID算法代码实现简单，调速性能优良。

但是由于轴流风机的响应速度慢，如何使风摆在空中快速的实现平衡摆动，并做出符合要求的圆周运动成为一个
难点，我们初步对风摆的模型进行简单的数学物理建模。

通过陀螺仪返回的数据进行分析处理，结合速度反馈环和MPU6050位置环进行两级反馈闭环PID控制，并运用统计学原理，
理论分析与计算
风力摆在摆动的过程中，包含了诸多的非线性特性，不仅要求风力摆起摆速度快，而且还要考虑线性度特性。

顾名思义风力摆要摆初规定的角度值，只对一个空心杯电机进行风速控制，可以让风力摆摆动起来，但是在要求快速起摆时，会出现很大的偏差，通过陀螺仪的反馈量调节风力摆的偏差形成闭环控制，可以满足系统要求。

控制系统方案
采用3个直流风机作为动力，3个风机在3个方向相背而放，互成180度角。

通过控制风机的转速及工作状态来控制风力摆的运动轨迹。

采用以增强型ARM为内核的STM32系列单片机，控制两个L298N模块，从而驱动空心杯电机，用STM32控制L298N的输入，其工作在占空比可调的开关状态，精确调整风机转速。

电路设计简单，抗干扰能力强、可靠性好。

采用双电源供电。

风机驱动电源与控制电源分开。

整个系统可以驱动各空心杯，使风力摆照一定的规律和频率摆动，同时，被安放在风力
据处理后形成控制命令发送至执行单元；执行部分主要完成对直流风机转速的调整来控制风速的大小。

系统中还加入了人机互交模块，有键盘输入、液晶显示输出使系统更加人性化，更易于操作。

下面分别论证主控、角度传感、风力摆、电源和人机交互等模块的选择。

风力摆控制系统硬件设计
芯片选用
芯片是计算机的核心，因此它也是风力摆系统的核心。

它按照系统程序赋予的功能完成的主要任务是：
1.接纳和处理编程人员以及使用者所输入的数据；
2.检验编译过程中语法的错误，诊断电源及系统内部的工作故障；
3.用扫描方式工作，接收来各采集器的输入信号，并输入数据存储器当中；
4.在进入运行模式后，从设备里读出数据并执行所编写的程序，完成用户程序所设定的运算以及数据处理等操作；
5.根据运算所得出的数据，更新相关状态，重置输出寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制等功能。

我们已经确定使用STM32系列单片机，但幸好不同功能也不同。

内存包括64KB到256KB闪存和20KB到64KB嵌入式SRAM。

截至2010年7月1日，市面流通的型号有:
基本型:STM32F101R6、STM32F101C8、STM32F101R8、STM32F101V8、STM32F101RB、STM32F101VB
增强型:STM32F103C8、STM32F103R8、STM32F103V8、STM32F103RB、
STM32F103VB、STM32F103VE、STM32F103ZE
接下来对于STM32F103RBT6芯片为例进行说明：
表1芯片型号
综合考虑，本设计选用stm32-M103系列芯片，在保证功能的同时价格也较容易接受。

控制流程图
系统控制流程图如图3-2-1所示。

图3-2-1系统控制流程图
陀螺仪实时监测角度并将值储存起来，最小系统通过监测按键发来的信号去判定需要执行的操作，将指定程序执行后把信号发送至光耦从而到达驱动，驱动控制电机完成一系列指定动作。

角度采集控制设计
关于电源，MPU-60X0可支持VDD范围2.5V5%，3.0V5%，或3.3V5%。

另外MPU-6050还有一个VLOGIC引脚，用来为I2C输出提供逻辑电平。

VLOGIC电压可取1.85%或者VDD。

本设计采用了MPU-6050模块，此传感器的功能可以说是十分出众。

以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据。

图3-3-1陀螺仪时序图
但是，本设计只应用了其两轴的运算，即X轴和Y轴，因为如果加入Z轴对所需的功能没有太大的意义，当然，因为工作环境会有部分干扰项，采集过来的东西还需要滤波处理。

程序滤波设计
当然，所使用的陀螺仪采集到的实时角度值肯定会受到许多的干扰因素的影响，这种干扰是硬件电路设计中无法避免的，因而我们需要一种软滤波方法，将所得到的带有毛刺的角度模拟量进行滤波优化，换算成较为平滑的模拟量曲线。

在此我们使用的是卡尔曼滤波。

将所得到的角度值经过多次滤波以此得到与实际角度较为契合的数据。

卡尔曼滤波器（Kalman Filter）是一个最优化自回归数据处理算法（optimal recursive data processing algorithm），它的广泛应用已经超过30 年，包括航空器
光电隔离设计
由于电机驱动与最小系统之间有信号线进行信号传输，当上电瞬间驱动电路的12V电有可能串入最小系统中，瞬间灌入过高电压可能导致单片机部分功能失灵甚至烧毁。

所以应采取必要的保护措施，光耦就是一个很好的光电隔离器件。

成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的图3-5-1单光耦结构图
如图3-5-2在信号输入端添加200欧的电阻，目的是稍微台高输入端电压，使其信号过来后更容易导通。

而RL处电阻选择5k也恰是为了抬高输出电压方便检测，因为输出端所需的是电压信号，故电阻可选择5-10K之间的阻值，取5k。

图3-5-2光耦基本电路
本系统将光耦安置在电机驱动与最小系统之间，最小系统发送过来的控制信号都要通过光耦才能输出到驱动中，以此提高了电路的安全性与实用性，使得该系统能更加稳健的运行。

系统主电路设计
系统的主要功能决定着电路结构。

一个良好的电路结构不但能使系统更加稳定，而且会增加系统的可靠性，下图是电路的部分原理图。

如图3-6-1所示。

图3-6-1部分原理图
驱动电路和光耦电路未全部添加，但功能大致相似，只是引脚略有差别。

在主电路中除了必要的3.3V稳压电路、复位电路等基本保障电路之外，光耦电路的添加绝对是浓墨重彩的一笔。

有了光耦电路对芯片最小系统乃至整个电路来说都提高了实用性，使其不会因瞬间电流过大损坏元器件。

电机控制设计
其具体特性表现为。