风力摆系统设计Word文档下载推荐.docx
《风力摆系统设计Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风力摆系统设计Word文档下载推荐.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
STM32,microwindpendulumcontrollightcouplinggyroscope
Contents
TOC\o"
1-3"
\h\z\u摘 要II
AbstractIII
CONTENTSVI
第1章绪论8
1.1课题背景8
1.2课题的来源9
1.3课题的国内外现状9
1.4本课题研究的内容10
第2章总体方案的设计11
2.1系统功能、要求及原理分析12
2.1.1设计任务12
2.1.2系统机械结构12
2.2控制方式选择13
2.2.1角度测量方案的论证与选择13
2.2.2直流风机驱动模块的论证与选择14
2.2.3控制系统的论证与选择14
2.2.4风力摆运动控制方案的选择与论证15
2.2.5电源方案的论证与选择15
2.2.6电机速度控制16
2.2.7控制算法的选择16
2.2.8理论分析与计算16
2.3控制系统方案17
第3章风力摆控制系统硬件设计17
3.1芯片选用18
3.2控制流程图20
3.3角度采集控制设计20
3.4程序滤波设计22
3.5光电隔离设计22
3.6系统主电路设计24
3.7电机控制设计24
3.8电源以及稳压模块设计27
3.8.1LM2596S电源模块27
3.8.2LM7805稳压芯片及应用电路28
第4章控制系统程序设计29
4.1程序需求30
4.2主程序流程图30
4.3控制程序流程图30
4.4PWM输出设计31
4.4.1Pwm构成31
4.5PID及其应用34
4.5.1模拟PID控制规律及实现方法35
4.5.2数字PID控制36
4.5.3增量式PID37
4.5.4PID参数整定37
4.5.5PID控制分析38
4.6圆形轨迹摆动控制39
致谢40
参考文献41
CONTENTS
\h\z\uAbstractI
摘 要II
绪论
课题背景
风力在能源方面的应用最早可追溯到古代世纪初，那时人们利用风吹动帆，在海上驾驭大型船只。
而后，有衍生出很多有关风的应用。
如那时候人们发明出风车，用风车带动下方连接的磨盘来研磨各种豆类。
而这么精妙的结构只不过是风力的一个简单的应用而已。
对我们而言，一提到风力的应用，我们首先就会想到风车，风筝，风力发电等。
而这些我们所提到的东西都是利用自然风去影响或者改变其他事物，将风转化成另外一种形式的能。
多用到的多半是自然风。
而我们这一课题则利用的是另外一种形式，即产生风后，利用风对空气的压力或推力对物体的位置进行控制。
这个理论听起来简单，实际却并不是特别容易。
举几个简单的例子：
直升机，利用发动机带动螺旋桨产生风力，这种风力带动周围的空气对某一方向的空气进行挤压，从而产生反作用力作用回螺旋桨。
从而带动飞机，使其能够自由升降和飞行。
这一控制理论极为复杂，因为各种环境因素众多，系统有着非线性、多变性等特点。
而正因为如此，其应用前景也相当之大，就飞行器来说，这一理论的研究有着极为重要的意义。
而我国，更是对它有着众多的需求，其人才缺口在近几年也是比较大的。
空气动力学、传动与控制理论、都叙述了其在控制领域的地位与发展。
对这一学科的探索，应该寻觅到人对弹药和生物在飞行时的所受到的力各种设想。
到了17世纪的中期，HYPERLINK"
\t"
芬兰的一名学者名叫惠斯首先算出了物体在空气中运动时所受到的阻碍力。
由此可见，风力在人们的生活中无处不在，与人们的日常生活息息相关。
对其研究的进一步深入，将有助于提升我国的综合国力，为中华航天事业乃至空气动力学添砖加瓦使我们责无旁贷的义务。
课题的来源
此设计的灵感来源于2015年的全国大学生电子设计大赛，组委会为不同类型的电类学科出了不同的考题，而其中B组题就是风力摆控制系统，大赛对这一系统的构架与功能提出了诸多要求，有难有易，对整个系统也提出了一个大致的框架，也给出了几点建议。
就大赛而言，主要考察学生的综合能，包括完成速度、反应能力、抗压能力与应对问题的能力，所以说题目的含金量也是很大的。
这一题目如果想要较好的被完成，学生们需要掌握很多相关专业知识和一些物理方面的知识，同时对流体力学、空气动力学都应该有一定的了解和领悟。
就现如今的科研水平来讲，风力摆的应用还是相当广泛的。
除飞机、航天器材方面的应用外，平衡力学也需要应用风力摆的控制原理。
如在一些高楼大厦上用绳子垂吊着擦玻璃的空中飞人们，需要在移动高度上保持平衡才能更好地进行工作，但遇到有风的天气，就会极大增加工作难度，甚至还会提高危险系数，因为在空中随风摇摆对他们而言可能是致命的。
这就需要一种风力控制系统在来风的时候对偏移角度进行分析和运算，得到与之相抵消的力再通过控制风扇将其抵消。
这样就会大大增加工人们的安全保障。
而这只是风力摆控制系统的一个小方面的应用。
更多更广的应用有待一代又一代的技术工作者们继续将其挖掘。
很长时间以来，人们对风力操作控制在国家经济生产中的地位认识不够深刻，资金投入较少，风力控制设备控制精度不高，有的还停留在手工经验水平上，我国风力控制技术的发展仅相当于发达国家的70%左右。
我国的基本国情和发展现状决定了在未来的段时间里我国将继续深入研究风力控制与控制技术，在短时间内使其提高，达到西方国家水平。
仅科研前景而言，对于国家的可持续发展将有巨大的推动作用。
随着科学技术飞速发展，STM32微处理器控制方式被许多控制系统采用。
在包罗万象的科技中，其主要应用于对一些算法的处理，包括PID算法、卡尔曼算法以及一些复杂数据结构的搭建。
课题的国内外现状
风力摆是一种较为新型的控制设备，在国内也是刚刚起步，而在外国，已经出现了类似结构原理的机械设备并应用于工业和监测行业中。
现在环境问题已经成为当今社会的一个巨大的问题。
所以提高环境检测精度和速度已经成为了一个值得探讨与研究的问题。
在西方发达国家，风力摆系统已经应用如一定范围内气体分布的抽样检测，将传感器悬挂于风力摆之上，当想要检测一定范围内的空气组成成分时将位置通过运算转换成风机的转速，与外接传感器形成闭环控制，较好的检测出不同位置的空气质量，从而对环境有更为确切的了解。
采用了包括自动寻找最优路径、定位控制等多种控制方法，增加其稳定度。
这也表明了我国风力摆微控制技术的相对较弱。
因此，我国迫切需要一些对高精确度控制系统的实际研究与应用。
随着科学技术与电子信息产业的迅猛发展，风力控制嫣然已经成为了当今时代的主流和热门话题。
随着国内外电子科技的不断更新，风力控制所涉及到的领域也越来越广泛起来。
而且利用风力控制所制造出来的产品，更多的流入了市场，更多的进入了千家万户。
进入到了我们的实现生活中。
而这其中，风力控制也已经在市场上占有了很大的份额。
在国内利用风力摆原理对电机进行精确控制，我们的四旋翼飞行器才能更加的平稳。
有的城市中有向日太阳能板，也是通过对信息的采集、分析，判断太阳方向，从而根据其数据控制电机定向定量改变太阳能板的角度，达到最大储能。
从而更好地为路灯进行供电，为夜晚的交通安全提供了有力保障。
这样的例子在国内外还有很多很多，应用前景都非常广泛。
如飞行器材，雷达的灵活运转等。
而相比之下，国内的研究也进行的如火如荼，难分伯仲。
21世纪，我国的科技发展还处于发展中阶段，随着综合国力的不断提升，我国的科技水平也突飞猛进，相信在不久的将来，我国的风力控制技术能居于世界前列甚至举世无双。
本课题研究的内容
根据国内实际情况，本设计的主要目标是：
设计一款智能风力摆系统，降低工人劳动量，并提高同类测试、信息采集装置控制方案。
本课题研究的主要内容包括以下几个方面：
了解风力摆的主要功能及控制系统的设计方法：
首先，我们需要一个宏观的对整体功能的把握，所完成的功能需要在我所学的知识储备范围内。
在这其中，我需要对其整体进行细致的分析，包括如何实现控制风扇带动风力摆使其运动轨迹由我们自行控制，计算出最优路径；
将不同摆动轨迹分门别类，我们自行研究与修改。
对风力摆控制进行数学分析并选择合理的控制方式：
在确定其功能的前提下，对所完成任务的语法、语句进行考究，包括选用何种连接方式、何种循环语句、何种嵌套模式与滤波补偿等等。
对该设备的电控系统的硬件部分进行设计：
包括系统主电路和控制元件的型号参数选择，对整个系统的稳定性进行评估，找出影响其稳定性最重要的因素，将其击破，同时考虑各个元器件之间的兼容性，例如主控芯片的驱动电平信号会不会过高导致主控芯片被烧毁，其大电流电路的信号与控制信号是否被连接在了一起。
对风力摆控制系统的整体结构进行分析。
这一项包括对风力摆整体的物理结构进行一个全方位的分析。
其中最主要的是受力分析，整个框架需要有足够高的稳定性，这就需要对其运动轨迹、运动方式有一个初步的估算，以此确保在任何运动形式下，整个系统都能稳固。
而后还需要对结构的连接点进行确认，因为在系统运行过程中存在不可消除的震动，这一震动对系统的整个运行有一定的影响，所以在必要的时候要对其连接处进行加固和减震处理。
总体方案的设计
系统功能、要求及原理分析
设计任务
设计并制作一长约60~70cm的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组（2~4只）直流风机，构成一个风力摆。
风力摆上安装一个向下的激光笔，静止时，激光笔的下端距地面不超过20cm。
设计一个测控系统，控制各风机使风力摆按照一定规律运动，激光笔在地面画出要求的轨迹。
设计要求
（1）从静止开始，15s内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段，其线性度偏差不大于2.5cm，并且具有较好的重复性；
（2）从静止开始，15s内完成幅度可控的摆动，画出长度在30－60cm间可设置，长度偏差不大于2.5cm的直线段，并且具有较好的重复性；
（3）可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20cm的直线段；
（4）将风力摆拉起一定角度（30~45）放开，5s内使风力摆制动达到静止状态；
（5）以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s内需重复3次；
圆半径可在15~35cm范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径2.5cm的圆环内[1]。
结构示意图如图2-1-1。
图2-1-1风力摆结构示意图
系统机械结构
本系统的外部结构采用三角梁结构，万向节固定在其顶部伸出的臂杆上，自由摆杆选取碳杆为材料，与万向节嵌套在一起，自由摆的状态是垂直向下。
在自由摆杆的下方把三个空心杯电机互成120角分布，使得风向分别朝向前、左后方、右后方。
摆杆选取碳杆是因为碳杆的强度较大，质量较轻，这样可以大大减小风力摆的负担，便于快速，陀螺仪平放在轴流风机的上方，很好地监测风力摆运动状态。
同时把激光笔安装在自由摆下方垂直向下。
控制方式选择
本系统要求能够精确控制各风机使风力摆按照一定规律运动，故使用陀螺仪传感器、直流风机驱动模块、STM32单片机等模块实现符合系统要求的设计，下面分别论证对于这几个模块的选择。
角度测量方案的论证与选择
方案一：
选用双轴倾角传感器模块LE－60－OEM，测量重力加速度变化，转为倾角变化，可测量双向。
具有稳定性高、低功耗、结构简单等优点。
响应速度为5Hz。
它可以测量平衡板与水平方向的夹角，x，y方向可以测，但z轴不可测。
且操作复杂，软件处理难度大。
方案二：
采用陀螺仪MPU6050模块，MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，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。
并且以串口模式向MCU输出MPU6050的测量数据。
经过软件滤波后可以得到较为精准的测量值。
此方案优点是该模块体积小，无需复杂的机械结构辅助。
且与MUC连接仅需要2个I/O口[1]。
方案三：
三轴陀螺仪BDZT664。
可以根据需求选择匹配的参数。
它可以测量倾斜检测应用中的静态重力加速度，以及运动、冲击或振动导致的动态加速度。
X轴和Y轴的带宽范围为0.5Hz至1600Hz，z轴的带宽范围为0.5Hz至550Hz。
但是其测量动态加速度时的存在较大偏差，并且由于本系统摆杆是在一个三维平面内转动，仅靠三个方向加速度来确定PID控制参数较麻烦。
基于上述理论分析和实际情况，故采用方案二。
直流风机驱动模块的论证与选择
采用L298N芯片构成的驱动模块，L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
工作电压高，最高工作电压可达46V；
输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，采用标准逻辑电平信号控制。
此方案可以通过PWM信号控制输出电压，但是持续工作电流为2A，无法满足大电流风机的需求。
采用双BTN7971构成H桥的驱动模块，BTN7971芯片是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，最高工作电压为24V，驱动电流最高为70A。
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。
此方案优点是驱动模块工作频率高，响应时间短，能够在较短的时间里快速调节风机转速。
基于上述理论分析和实际情况，故采用方案一[1]。
控制系统的论证与选择
采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，STC12C5A60S2是一款增强型51内核的8位单片机，与传统51单片机相比具有程序执行速度较快、A/D数据处理便捷、PWM输出方便等优点，但是其仅仅集成两路外部中断和三路定时器，对外部输入信号的处理能力略显不足。
选择STM32单片机。
其全部10口都可以作为中断输入，而不
需要接到特定的几个脚上，极大的方便了原理图和PCB的设计。
STM32支
持SWD调试，只需要2跟IO线，就可以完成调试和代码下载，对引脚不多
的型号尤其适用。
STM32单片机具有硬件SPI模块，可以直接读取触屏控制寄存器。
STM32最高时钟频率达到72M,使用STM32会使程序运行更高效。
同时它内置震荡电路，不外加晶振也可以工作。
选择AVR系列芯片。
它的长处就是速度快、低功耗、稳定。
以时钟周期为指令周期，实行流水作业，AVR的专用寄存器集中在00～3F地址区间，使用起来比PIC方便，逻辑运算速度快。
但是其还是存在一定的缺陷，如I/O口叫其他芯片少。
本系统控制算法涉及单闭环，需要采集陀螺仪的实时信号，并且多通道输出PWM调制，为保证输入信号和输出控制快速与精确地
升级会员 