风力摆控制系统-论文最终版.doc

2015年大学生电子设计竞赛 风力摆控制系统（B题） 2015年8月15日 摘要 关键词： 目录摘要 I 目录 II 一、方案设计与论证 1 1.1方案比较与选择 1 1.1.1控制器模块比较与选择 1 1.1.2角度传感器模块比较与选择 1 1.1.3驱动模块的比较与选择 1 1.2系统最终方案选择 1 二、测控方法分析与论证 2 2.1风力摆状态测量分析 2 2.2运动控制 2 2.2.1 电机的比较与选择 2 2.2.2控制原理和计算公式 2 三、系统设计与分析 3 3.1主要电路设计 3 3.1.1 STM32F103单片机最小系统电路 3 3.1.2电源模块： 4 3.1.3驱动模块： 4 3.1.4陀螺仪模块 4 3.1.5系统整体电路原理图 4 3.2 软件程序设计 4 3.2.1程序功能描述与设计思路 4 3.2.2程序流程图 4 3.2.3程序设计 5 四、测试方案与测试结果 5 4.1测试方案 5 4.2测试仪器 5 4.3 测试结果及分析 5 4.3.1测试结果(数据) 5 4.3.2测试分析与结论 6 五、总结 6 参考文献 7 附录一 电路原理图 8 附录二 程序流程图 9 附录三 部分程序 10 附录四 元器件清单 11 一、 1.1.1控制器模块，。.2角度传感器模块方案一：ENC陀螺仪ENC陀螺仪输出一个和角速度成正比的模拟电压信号　　方案：MPU-6050三维角度传感器，MPU-6050集成了3轴陀螺仪，3轴加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP，可输出数字量，稳定性极高测量精度高 综合比较以上方案，我们选择方案三中的MPU-6050传感器 1.1.3驱动模块的比较与选择 方案一：L298驱动，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。其输出电流不能超过4A，比较容易发热，。方案二： 方案三：采用电子调速器驱动，它根据控制信号调节电动机的转速过温、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。 图 系统方框图 本装置用MPU-6050三维角度传感器反馈轴流风机的运动轨迹，经过 A/D转换进行数据采样，通过STM32单片机进行数字处理，以实现画直线、画圆的目的。经测试证明，本装置能够很好的完成设计要求，且具有较高的稳定性。 二、 2.1风力摆状态测量分析 摆杆状态的检测利用的是MPU-6050，MPU-6050三维角度传感器，在特定的位置会输出特定的电压值，当摆杆运动时，主控制器通过AD采集出一系列电压值，根据电压值的变化，即可知道摆杆的状态，从而实现画直线，画圆等要求。 2.2运动控制 2.2.1 电机的比较与选择 市面上普通直流电机转速慢，功率小，摩擦力大导致上电后短时间内风力摆摆动幅度小，可控性很低，为了更加精确控制风力摆的摆动幅度、速度，我们选择转速快，减速比低，摩擦力小的额定电压为12V的直流无刷电机。 2.2.2控制原理和计算公式error （2） kp为比例调节系数，通过公式可以看出增大kp可知角度差的作用加强，可加强系统的强硬速度，使摆杆的迅速达到直立的状态。 ud=kd（angleone-anggle_one_old） （3） anggle_one_old对应摆杆上一次采集到的角度值。kd为微分调节系数，angleone-anggle_one_old对应角度的变化值，因此可知，调节kd可以改善系统的动态性能。 pwm=up-ud （4） 把 PWM的值给电机即可改变电机的转速，使摆杆的角度改变。最终实现摆杆的站直并稳定。 三、系统设计与分析 3.1主要电路设计 3.1.1 STM32F103单片机最小系统电路 图3.1 STM32F103单片机最小系统 3.1.2电源模块： 图3.2电源模块电路图 3.1.3驱动模块： 图3.3驱动模块电路图 3.1.4陀螺仪模块 。 3.1.5系统整体电路原理图 见附录一图1-2。 3.2 软件程序设计 3.2.1程序功能描述与设计思路 1)程序功能描述 主要是通过STM32F103单片机控制系统实现题目要求。 2)程序设计思路 本测量装置主要指标是通过MPU-6050采集数据，单片机STM32F103进行数据处