风力摆控制系统设计报告.doc

风力摆控制系统设计报告.DOC:..2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统(B题)摘要木风力摆控制系统以STM32F103C8单片机为控制核心,采用MOS管电机驱动,通过加速度陀螺仪MPU-6050来采集风力摆的角度,并用按键输入相关参数要求及测试模式,主控单兀STM32F103C8单片机处理采集到的信号并给定PWM控制宜流风机。该系统硕件部分主要由电源模块、单片机模块、电机驱动模块、按键模块、陀螺仪、风力摆等构成闭环控制系统。主耍运用STM32F103C8单片机控制直流风机组,根据风力摆的状态,通过程序控制PID算法,使直流风机组带动整个风力摆装置的旋转移动并保持一定平衡,实现了通过直流风机组控制风力摆运动、画线、画圆及静止等的功能。关键词:STM32F103C8单片机;MPU・6050;电机驱动;:采用51单片机,价格低廉,应用普遍,操作简单,控制能力强。但是外设端口较少,片内资源少,运行速度很慢,需妾外围元件多。方案二:采用PLC单片机,可靠性高,抗干扰能力强,但体系结构封闭,不兼容。方案三:采用STM32单片机,其程序都是模块化的,接口相对简单,而且自身带冇好多功能,工作速度快,但性价比较高。综合以上三种方案,选择方案三。 电机驱动模块的论证与选择方案一:采用继电器对电机开关进行切换,以调整风力摆的周期。但是继电器的响应时间慢,易损坏,可靠性不高。方案二:采用L298N电机驱动模块,输入端与单片机直接相连,便于控制。但驱动电流小,无法驱动大功率的风机,且压降大、易发热,影响驱动性能。方案三:采用场效应管IRFD120组成的电机驱动模块,驱动能力好,易于调速、过载能力大、开关速度大,能耗小。综合以上三种方案,选择方案三。 风力摆方案的论证与选择方案一:选用12V,,将朝着四个方向的风机两两连接在一起形成止方环形风力摆。但是风扇环闭,影响进风,且因为电流大,带动慢,耗时。方案二:选用12V,,用一块板子将四个风机分为两层,相对摆放。小巧轻便,风扇摆放未环闭,风力较好,且动力较足。综合以上两种方案,选择方案二。 角度检测模块的论证与选择方案一:采用光电编码器可以直接测出风力摆角度,但是体积大、精度低、仅能测岀摆杆角度。方案二:选用WDD35D5角度传感器,根据摆杆旋转角度产生相应阻值,但该方案需要AD转换成相应的角度,且不易放置、仅能直接得到角度。方案三:选用MPU6050加速度陀螺仪,精度高,通过处理后可检测到摆杆的旋传角度及其加速度,以便对摆杆的控制。综合以上三种方案,选择方案三。 控制算法的论证与选择方案一:采用LQR算法即线性二次型调节器”其对象是现代控制理论中以状态空间形式给出的线性系统,而目标函数为对象状态和控制输入的二次型函数,LQR可得到状态线性反馈的最优控制规律,易于构成闭环最优控制,但编程复杂,数据处理量大。方案二:采用PID算法,按比例、积分、微分的函数关系进行运算,将风力摆对应状态的角度加入PID算法后通过PWM控制直流风机旋转方向与速度。控制精度高,且算法简单明了,结构改变灵活。综合以上两种方案,选择方案二。