风力摆控制系统17.doc

2015年全国大学生电子设计竞赛(瑞萨杯)
风力摆控制系统(B题)
【本科组】
2015年8月15日
摘要
本文论述了风力摆及控制装置的设计思路和过程。本系统采用飞思卡尔公司mc9s12xs128单片机作为系统的控制器,控制器通过IIC总线采集mpu-6050信号,经过四元数融合算法进行数据处理,得到摆杆摆动角度值,经PID算法处理,产生PWM信号,驱动和控制轴流风机的转速。本系统可实现摆杆划直线、斜线、画圆等多种模式,可通过拨码开关手动切换及12864液晶显示系统所运行的模式。
关键词:风速摆;飞思卡尔mc9s12xs128;mpu6050;PID算法。
目录
摘要 I
目录 II
一、方案设计与论证 1
1
1
1
1
驱动模块的比较与选择 2
二、理论分析与计算 2
2
风力摆运动控制 3
控制算法 3
三、硬件电路与软件程序设计 4
主要电路设计 4
xs128最小控制系统及整体电路 4
4
4
程序结构设计 5
程序设计 5
四、测试方案与测试结果 5
5
5
5
6
6
6
五、结束语 6
参考文献 7
附录 8
附录一:原理图 8
附录二:测试结果数据 10
附录三:程序流程图 11
附录四:部分程序 11
一、方案设计与论证

图1-1 系统结构框图


方案一:采用MSP430f449单片机作为系统控制器。此款单片机低功耗,但AD模块为12位,精度达不到本系统要求。
方案二:采用STC89C52单片机作为控制器。此款单片机价格便宜,但片内集成资源少,无片内集成AD,外接AD电路复杂,不便于有效控制。其运行速度相对其他单片机较慢。
方案三:采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机作为系统控制器。此款单片机的AD模块为16位、精度高,PWM输出方便,能够满足题目中对电机的控制和数据的处理,以实现对系统精确的调控。
综合比较以上方案,我们选择方案三中的飞思卡尔MC9S12XS128作为系统的控制器。

方案一:利用加速度计和陀螺仪进行融合,通过卡尔曼滤波得出角度。集成度低,对于三围空间的采集及计算太过于繁琐。加大了程序的复杂程度。
方案二:采用WDD35角度传感器,该传感器分辨率高,转动顺滑,动态噪声小。功率为2W,机械转角为360°,但是其功率较大,不满足低功耗的要求。
方案三:MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件,免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题,减少了大量的封装空间。MPU-6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速器,由主要I2C端口以单一数据流的形式,向应用端输出完整的9轴融合数据。
综合比较以上方案,我们选择方案三中MPU-6050模块作为系统的角度传感器。
驱动模块的比较与选择
方案一:L298是专用驱动集成电路,属于H桥集成电路,内部包含4通道逻辑驱动电路。但其输出电流不能超过4A,比较容易发热,有较大的局限性。
方案二:BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片,驱动电流可达43A,它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。具有极好的驱动能力,能够很好的满足题目的要求。
综合比较以上方案,我们选择方案二中电阻式角位移传感器的作为系统的角度传感器。
二、理论分析与计算

1、采用了MPU-6050采集空间姿态,将采回数据通过四元数算法得出欧拉角从而求出x,y,z轴的偏向角。计算出此时的空间所在方位。

图2-1 3D笛卡尔坐标系图2-2 欧拉角图示
通过旋转轴和绕该轴旋转的角度可以构造一个四元数:、、、。其中是绕旋转轴旋转的角度, 、、为旋转轴在x,y,z方向的分量(由此确定了旋转轴)。四元数到欧拉角的转换:
'
2、当风力摆按照预设的高度做X轴上的稳定直线摆动时,他的稳态数学模型是单摆运动。根据系统的机械能守恒得到公式(1)。
由(1)式得
转化为
上式中θx是对X轴的偏角等于Z轴偏角, ωy 是Y