帆板控制系统的设计

2011年全国大学生电子设计竞赛
帆板控制系统
2011年9月2日
摘要
本系统以STC单片机控制电路为核心，基于PID控制方法，采用PWM脉冲调宽的方式对直流电机进行调控，根据角度传感器反馈回来的信号实现可靠的闭环控制，自动稳定精确地控制帆板的倾斜角度。

关键词：PID控制方法 PWM脉冲调宽帆板
帆板控制系统
1系统方案
1.1帆板倾斜角度测量方法的论证与选择
方案一：采用角度测量传感器测量帆板倾斜角度
在轴承处安装角度测量传感器，当帆板转动一定角度时就会带动轴从而带动角度传感器转动。

传感器的测量值传给A/D转化器转换成数字量（方便运算），再将数字量传给单片机并予以显示。

图1 角度测量传.感器示意图
优点：便于调控，精确测量。

缺点：造价高，元件易损坏。

方案二：采用电容传感器测量帆板倾斜角度
将电容的一面板作为帆板安装相连，另一面板作为底板，当帆板倾斜时电容改变，进而改变电路的谐振频率，通过频率/电压转换电路，将谐振频率转换为电压信号，再由单片机内部的A/D转换器转换成对应的数字信号，通过运算处理，得到控制信号。

优点：节约材料，方便组装。

缺点：误差较大，不便于测量，参数转换较复杂。

方案三：采用超声波传感器测量帆板倾斜角度
超声波传感器通过发射和接收进行测量帆板所倾斜角度。

优点：与测量装置无接触，没有机械损耗。

缺点：温度影响大，容易受外界干扰。

综合以上几种方案，经过比较，从经济性和实用性角度以及现有元器件情况，我们选择选择方案一。

1.2 风力控制部分的论证与选择
方案一：改变供电电压大小
根据能量转换平衡原理可知：P J=P D
式中：P J——机械功率
P D——电气功率
由上式可知：风量越大所需机械功率越大，另有P= U2/R，所以在电阻一定的前提下，电压越高，电功率越大，电压越小电功率越小，机械功率也小，也就是说：风机的风量越小。

通过分析可见，改变直流电压的高低，就能控制风量的大小。

优点：易于调试，容易实现。

缺点：在低电压情况下，电机转矩较小，不易启动。

方案二：改变风口大小
采用挡板调节风口大小控制风量，设定风口面积为S，对应风口进气量Q。

如果S数值减小，Q值亦减小，所以风量减小。

S数值增大，Q值亦增大，所以风量增大。

优点：易于制作，方便直接观察。

缺点：增加了材料量会使作品整体质量增加，精度降低，使控制难度加大。

方案三：使用脉冲调宽控制
由于直接改变供电电压大小会导致在小风量时电机无法转动所以我们使用脉冲调宽方式对风扇电机进行控制。

PWM脉冲调宽控制系统能控制高电平有效时间，高电平时间越长则电动机的转速越高，风量越大，帆板角度变大。

高电平时间越短电动机的转速越低，风量越小，帆板角度变小。

PWM脉冲调宽控制如图所示。

图2 PWM脉冲调宽
优点：准确方便，精度等级高，自控能力强。

缺点：程序复杂。

综合以上三种方案，选择方案三。

2系统理论分析和计算
2.1系统理论分析
整个系统采用STC单片机，以PWM脉冲调宽和PID控制为主。

当风扇吹动帆板时，帆板产生倾角，利用安装在帆板边缘的角度传感器测量倾角变化值，测量到的角度模拟量传输到单片机中进行A/D转换，转换为数字量，单片机根据控制要求选择自动或手动控制并将参数进行显示予以显示。

2.2关于系统电位曲线的分析和计算
根据技术处理得到如下曲线图：
曲线的计算
根据线形方程公式：y=kx+b；
得k≈0.451;
b≈180.851。

y=0.451x+180.851。

3系统电路的设计
3.1系统总体框图
系统总体框图如图4所示
图4 系统总体框图
3.2电源部分
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。

为整个系统提供5V或者15V电压，确保电路的正常稳定工作。

这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。

3.3系统电路信号的PID调节
在系统给定某一角度值时，会使刚开始系统产生比较大的余差e，微分调节可以达到超前调节的作用。

开始时输出变化最大，使总的输出大幅度变化产生一个强烈的“超前”控制作用，这样控制作用可看做“预调”。

然后微分作用随着输出变化率的减小而消失，积分输出则会占主导地位，只要设定值与测量值存在余差e积分就不断增加。

这种作用称之为“细调”，一直到余差e完全消失积分作用停止。

而在PID的输出中，比例作用是一直与偏差相对应的它则为最基本的控制作用。

最终达到设定值与测量值近似相等。

比例积分微分控制规律的输入输出关系：
△P=△P
p +△P
I
+△P
D
=K
C
(e+1/T
I
∫edt+T
D
d
e
/d
t
)
3.4控制电机转速电路（PWM脉冲调宽）部分
本系统采用L298芯片驱动电机，并以单片机（内部带PWM脉冲调宽电路）进行电机转速的调节。

当给定值与测量值产生偏差时，PWM脉冲调宽就调节占空比，即占空比（占空比=高电平/周期时间）来调节电机的工作时间和转速从而最终控制帆板的旋转角度。

占空比越大，电机有效工作的时间越长，反之占空比越小，则电机转动所作的有用功之比就越小。

3.5角度传感器部分
角度传感器根据测量后传输信号可以分为模拟角度传感器和数字角度传感器。

在本系统中因为所选用的单片机本身内部自带A/D 转化器，所以我们选用模拟角度传感器。

其原理为通过改变偏转角度而使得内部电阻值进行改变（相当于滑动变阻器或继电器）从而传输模拟信号到单片机内进行测量。

3.6单片机部分
本系统采用的是STC —6025型号单片机，此单片机具有内部A/D 转换功能和PWM 脉冲调宽功能。

本次系统实施作用在于：接受角度传感器所发出的模拟信号同时进行10位A/D 转换，处理后再将数字标度变换呈线性传输到液晶显示器中。

4测试方案与测试结果
4.1测试方案
4.1.1 设定角度传感器的零点取值
由于角度传感器的零点取值关系到系统的控制准确性，所以应合理取证。

如果零点取值过大则会导致传感器的最大值小于实验需要的最大值； 如果零点取值过大则会在挡板到负位时无法测量。

根据实验反复论证我们决定将角度传感器的零点设为400（数字量）。

4.1.2 各角度模拟量的测量和数据曲线
图5 各角度模拟量的测量和数据曲线
根据测量发现曲线大致是线性曲线，去处测量误差后认为曲线是线形曲线。

4.2 测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

角度
模
拟量
测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。

4.3 测试过程、结果及系统分析
4.3.1测试过程
（1）在系统风扇电机没有开始工作时，通过手动改变帆板角度并用物理方法测出角度（测量范围0—60°）与液晶显示只进行比较。

（2）当调整帆板和风口的间距在10cm处，通过调节键盘来控制电动机转速来控制风力大小，使帆板产生角度并在测量范围可以随意变化并予以也将显
示器实时显示。

（3）帆板在距离风口10 cm处，调节键盘控制风力大小使帆板在10秒内能够完成帆板一直保持在45°左右（相对误差为5°范围内）并具有灯光闪烁
和蜂鸣器报警功能，实时显示角度。

（4）在0—60°范围内任意选一角度进行设定，帆板距离风口10cm，在5秒内自动完成完成帆板达到设定值，实时显示角度。

相对误差为5°。

（5）在7到15cm范围内进行角度设定值（范围0—60°），开启自动键5秒内，使得帆板自动达到设定值，实时显示角度，最大绝对误差为5°。

4.3.2测试结果(数据)
键盘角度设定实验数据下表所示：（单位/度）
风扇转速：n 偏差：e
给定值：w 测定值：x
e=w-x e>0得出结论n过大：周期一定前提下，电机高电平有效工作时间过长，经过PWM脉冲宽度调节占空比增加，使得风扇转速n减小，从缩小e达到测量值w与设定值x相等。

e<0得出结论n过小：周期一定前提下，电机高电平有效工作时间过短，经过PWM脉冲宽度调节占空比减小，使得风扇转速n增加，从缩小e达到测量值w与设定值x相等。

4.33测试分析与结论
综上所述，本设计达到设计
参考文献
1、全国大学生电子设计竞赛组委会第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编北京北京理工大学出版社2008-11
2、厉玉鸣化工仪表及自动化北京化学工业出版社 1996-8
3、张毅刚单片机原理及应用哈尔滨高等教育出版社 2003-8
4、邱寄帆 Protel 99se印制电路板设计与仿真北京人民邮电出版社 2005-8
5、谢希德创造学习的新思路[N] 人民日报 1998-12-25（10）．
附录1：电路原理图。