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風力擺控制系統
- 摘要
- 1. 方案論證與比較
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- 1.1. 系統主要晶片選擇
- 1.2. 風力擺動力系統方案選擇
- 1.3. 角度檢測方案的選擇與論證
- 1.4. 電機驅動子產品的選擇與論證
- 1.5. 算法選擇
- 2. 系統設計
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- 2.1. 系統總體設計
- 2.2. 子產品電路設計
- 3. 系統理論分析與計算
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- 3.1. 風力擺的運動控制分析
- 3.2. 系統算法的分析
- 4. 軟體設計
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- 4.1. 程式功能描述與設計思路
- 4.2. 程式流程圖
- 5. 電路原理圖
摘要
本設計由MC9S12XS128MAL單片機控制子產品、角度檢測子產品、人機互動系統以及風力擺機械結構組成的閉環控制系統。由BTN7971驅動12V、1.2A的直流風機作為風力擺的動力源，MMA7361采集風力狀态角，單片機處理狀态角資料後通過PID調節直流風機控制風力擺，實作在直流風機作為動力控制下快速起擺、畫線、恢複靜止，畫圓的功能。為了使測控系統控制更為精确，在采集資料的過程中采用了非線性誤差校正以及卡爾曼濾波等資料處理方法。同時設計中考慮到可能存在的各種幹擾因素，采用軟硬體結合的抗幹擾方法提高系統控制的穩定性。經過反複的測驗，該方案完全能夠實作題目要求！
關鍵字：單片機 閉環 風力擺控制系統 卡爾曼濾波
1. 方案論證與比較
1.1. 系統主要晶片選擇
方案一：采用AT89C51系列單片機作為控制的核心。51單片機價格便宜，應用廣泛，I/O口的設定和使用操作簡單。但是51單片機的運作速度過慢，抗靜電抗幹擾能力弱，内部資源和存儲器功能較少，而且無ADC，還需要用外接電路實作AD轉換，使硬體電路變得複雜。另外，51單片機完成系統功能較為困難。
方案二：采用MC9S12XS128MAL作為控制核心。MC9S12XS128MAL是Freescale公司生産的16位單片機，儲存功能強大，具有豐富的輸入/輸出端口資源，具有多種寄存器功能，而且端口引腳大多為複用口，具有多功能，所有端口都具有通用I/O口功能。内部本身自帶PWM、A/D轉換功能，可以直接用，省去了單獨做PWM子產品和A/D轉換子產品，節省大量時間。完全能夠實作本系統的所有功能。
綜合考慮，本系統選擇方案二
1.2. 風力擺動力系統方案選擇
根據題目要求，用2~4隻直流風機，共有一下三種方案選擇：
方案一：采用兩隻風機作為系統動力系統。兩隻風機并排同向而立，分别固定擺杆兩側，通過控制兩個風機轉速産生不同風力控裝置擺動是雷射筆劃線畫圓。此方案遂犯負載親，但是在很難控制風力擺的狀态修正和制動。
方案二：采用三隻風機作為動力系統。三隻風機成等邊三角形相背而立，互成120度夾角（外角）。此方案相對于方案一在控制風力擺轉動過程中狀态修正方面有提升，而且對于畫圓有一定優勢，但是不好掌握相鄰風機的推力，在控制系統運動方向難度很大。
方案三：采用四隻直流風機作為動力系統。四隻風機兩兩背靠背而立，中間用碳纖維棒将四隻風機固定成十字架形狀。
綜合上述比較分析，考慮到系統的快速工作以及精确控制，本系統采用方案三。
1.3. 角度檢測方案的選擇與論證
方案一：角位移電位器。角位移電位器屬于二位平面内角位移傳感器測量擺動時關于靜止狀态時的偏轉角，通過該偏轉角控制流風機的狀态。但是角位移電位器隻能檢測出二維平面内的角度變化，不利于檢測風力擺的空間位置。
方案二：選用三軸加速度傳感器。三周加速度傳感器具有體積小和重量輕的特點，可以測得空間加速度，能夠全面準确反映物體的運動的空間位置。此方案課精确測量風力擺的目前狀态，實作對風力擺的精确控制。
綜合考慮，本系統選擇方案二。
1.4. 電機驅動子產品的選擇與論證
方案一：使用L298晶片實作電機驅動。L298N内部包含4通道邏輯驅動電路，及内部含兩個H橋的雙全橋驅動器，接受TTL邏輯電平信号通過PWM實作直流風機調速。但是L298驅動大功率電機時發熱嚴重易燒毀晶片。
方案二：使用英飛淩的BTN7971驅動晶片。BTN7971是大功率內建半橋驅動晶片，在單一封裝中內建了PMOS和NMOS高低側功率開關以及門驅動器，還內建了邏輯控制電路和一些保護檢測功能，能夠防止過熱、過壓、欠壓、過流和短路。
綜合考慮，本系統選擇方案二。
1.5. 算法選擇
算法有很多種，它的選擇很重要，它決定處理系統的性能品質和可行性。
方案一：自适應算法。自适應過程是一個不斷逼近目标的過程。單片機讀取傳感器采集來的風力擺空間位置來控制風力擺的運動，但是由于該系統變化太快，自适應算法調節方式難以達到系統要求。
方案二：PID算法。在過程控制中，按比例、積分和微分的函數關系，對系統模型進行運算分析，将其運算結果用以輸出控制。控制精度高，且算法簡單明了。
2. 系統設計
2.1. 系統總體設計
根據上述方案論證，我們最終确定了以MC9S12XS128MAL單片機作為中央處理器，采用型号為MMA7361的模拟加速度陀螺儀檢測風力擺的空間位置，使用BTN7971晶片驅動4個大功率直流風機。總體框圖如下圖2.1所示。
2.2. 子產品電路設計
1、 角度傳感器
角度傳感器選用藍宙電子生産的3軸陀螺儀+3軸模拟加速度傳感器MMA7361子產品。該子產品具有ENC-03M（全新包裝）三軸陀螺儀傳感器、MMA7361三軸模拟量輸出。
2、 電機驅動子產品
BTN7971驅動晶片電路圖如圖2.2所示，BTN7971屬于半橋驅動晶片，是以用兩個晶片組成一個完整的全橋驅動晶片，如圖2（b）所示。由于直流風機無法反轉，将風機地端連載一起，将電源端接入驅動電路中的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，将驅動電路的輸入口接單片機PWM1、3、5、7口，通過個給驅動輸入PWM值台階風機速度達到對風機控制目的。
3、 撥碼開關
在單片機的PB口接一個撥碼開關，實作人機互動功能。當撥動一個值後，系統會切換一個系統模式，完成本系統的全部功能操作。該子產品友善選擇各種模式。
3. 系統理論分析與計算
3.1. 風力擺的運動控制分析
風力擺采用4隻功率為12V、1.2A的大功率直流風機為動力驅動系統。模拟加速度陀螺儀采集風力擺的目前的角度，單片機處理角度資訊輸出PWM占空比，控制4隻風機的工作狀态，進而實作對風力擺的控制。
3.2. 系統算法的分析
本系統采用PID算法來控制流風機的轉動速度，流風機開始工作後，姿态采集子產品不斷采集目前風力擺的空間位置角度，并與之前的狀态比較，是的風力擺的運動狀态逐漸趨向于平穩。PID算法由風力擺轉動角度比例P、角度誤差積分I和角度微分D組成。
其輸入e(t)與輸出U(t)的關系為：U（t）=P*［e(t)+1/I∫e(t)dt+D*de(t)/dt］
它的傳遞函數為：G(s) = U(S) / E(S) = P * [ 1 + 1 / ( I * s ) + D * s ]
風力擺轉動角度比例P：對風力擺角速度進行比例調節，即對風機轉動速度調整。比例越大，調節速度越快，但不能過大，過大可能造成四風機因工作狀态的突變而使擺杆不穩定。
角度誤差積分I：使系統消除穩态誤差。計入微分調節使系統穩定系數下降，動态相應變慢。根據本系統要更快更穩完成風力擺的控制，本系統對積分調節的需要就非常弱。即保證在不需要時系統不會受到影響。
角度微分D：微分反映風力擺角度的變化率，具有可預見性，能預見偏差變化的趨勢是以産生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分作用調節消除。是以，可以改善系統的動态性能。在為分時間選擇合适情況下，減少調節時間。
4. 軟體設計
4.1. 程式功能描述與設計思路
系統軟體實作的功能如下：
1、讀取陀螺儀資料，将資料回報給單片機；
2、單片機将讀取資料的模拟量AD轉換為數字量後，将相對應的PWM波發送給軸流風機；
3、控制平衡闆；
4、撥碼開關控制；
5、資料彙總做出判斷。
4.2. 程式流程圖
系統主程式流程圖如下圖所示，進入主程式并初始化後，等待撥碼開關的狀态執行相應程式，每個程式能完成一項要求，各子子產品是獨立子產品，結構清楚。
5. 電路原理圖