风力摆控制系统设计

风力摆控制系统设计（共5篇）

风力摆控制系统设计 篇1

风力摆控制系统是一套完整的单片机控制应用系统。该系统要求将一根长约60~70 cm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20 cm。控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动,激光笔在地面画出长度、方向可控的直线轨迹和半径可控的圆型轨迹[1],并具有较强的抗干扰能力。本文将从风力摆控制系统的机械结构、电路系统及控制算法等方面,详细介绍整个系统的实现过程。

1 机械结构

机械结构是风力摆控制系统的重要组成部分。良好的机械结构不仅是系统能够实现精确控制的基础,还能为后来的控制算法提供有效途径,更是系统能够稳定运行的有力保障。本系统机械结构的设计目标是:稳固、巧妙、轻便、灵活。

1.1整体框架

系统的机械结构部件包括:底板、龙门框架、角度检测装置、摆杆、4个轴流风机组成的执行机构以及一些辅助支架等,整体结构如图1所示。将龙门框架用法兰盘和辅助支架固定在正方形木质底板上,龙门框架上固定一个采用3D打印制作[4]的具有两个自由度的摇杆机构,配合两个WDD35精密导电塑料电位器(WDD35 Precision Conductive Plastic Potentiometer,WDD35)构成摆杆的角度检测模块。用碳素杆作为摆杆,摆杆下方固定4个空心杯电机和桨叶构成的直流风机,并作为系统唯一的动力来源。碳素杆质量轻且强度高,能够减小摆杆的质量,从而减小系统的滞后性,使系统变得更加灵活、轻便。龙门框架结构能够让摆杆变得更加牢固,不会使摆杆在摆动的过程中因框架晃动而带来误差。

1.2 角度检测模块

角度检测模块设计是本系统的一大亮点。模块由两个WDD35、两个轴承和一些辅助支架构成。如图2所示。WDD35具有线性度高、理论上无限的分辨力、平滑性优良、动态噪声小、机械寿命长等优良性能[2],广泛使用于军事、航空、汽车、医药、测量、机器人、原子能等领域。正交的两个WDD35分别测量摆杆x轴方向和y轴方向的角度,最小测量角度达0.1°。轴承则大幅减小了辅助支架及各个部件之间的摩擦力,不仅让摆杆摆动所需力矩更加均匀、平滑,使系统更易于控制,同时也减小了误差。

1.3 执行机构

系统的执行机构由4个相互垂直放置的直流风机及其固定装置构成,如图3所示。直流风机由空心杯电机及桨叶组装而成。空心杯电机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性[3]。另外,其能量密度大幅度提高,与同等功率的铁芯电动机相比[5],其重量、体积均减轻了1/3~1/2,这在较大程度上减小了摆杆摆起所需的风力,解决了摆杆因电机质量太大而摆起困难的问题,给系统的灵活控制带来了便利。此外,为电机量身定制的固定装置确保4个空心杯电机是相互垂直的,且较为稳固,使系统角度控制更加精确,也在一定程度上提高了系统的稳定性[6]。

2 电路系统

控制系统的电路主要由单片机最小系统、电源模块、六轴运动传感器模块、电位器电压采集电路和电机驱动模块等构成。

单片机最小系统以飞思卡尔(Freescale)半导体公司的MC9S12XS128MAA单片机为主控芯片,该芯片由16位中央处理单元(CPU12X)、128 k B程序Flash、8k B RAM、8 k B数据Flash组成片内存储器[7],还集成了模拟数字转换器(A/D)、串行通讯接口(SCI)、串行外设接口(SPI)、定时器模块(TIM)和脉冲调制模块(PWM)等丰富的片上资源,完全能够满足本控制系统所需要的所有功能模块。

为简化电路,系统电源采用常州市创联电源有限公司生产的开关电源模块[8],该模块能将220 V的交流电转化成5 V的直流电,最大输出电流达40 A,最大纹波100 m V,既能保证电机在高速转动时的电流供应,又能保证精密电位器在采集电位时的电压稳定,提高了A/D采集的准确度。

本系统的角度测量模块采用WDD35精密电位器与MPU6050六轴运动传感器相结合的方式,用WDD35的测量值对MPU6050的测量值进行校正,通过融合算法计算出更加精确的角度值,即保留了MPU6050灵敏的动态性能,又不失WDD35精确的静态性能。MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件,与其他多组件方案相比,消除了组合陀螺仪与加速器轴间差的问题,减少了大量的封装空间[9]。

电机驱动模块采用的是由国际整流器公司(IR)生产的IR2104S及IRLR7843构成的MOSFET半桥电机驱动。IRLR7843具有导通内阻小、导通电压低等特点,持续电流最大能达到161 A,即使电机频繁加速减速,也能响应自如,在较短的时间内达到设定的转速,而且不会出现驱动发烫的情况,使系统能够持续高效运作。

3 控制算法

控制算法是风力摆控制系统的核心部分。由于摆杆在非理想情况下运作,虽在机械结构上做了许多减小各种摩擦的设计,但在摆动过程中依然会有摩擦阻力和空气阻力等,这些阻力会使摆杆的摆动幅度逐渐减小。甚至由于阻力大小、方向不均一,导致摆杆在摆动过程中摆动轨迹也发生了变化。为解决这些问题,系统通过角度检测模块检测摆杆当前x轴方向和y轴方向的角度,根据其与目标角度的偏差,用PID控制算法,计算出各个电机的输出量,进行实时调整,形成一个具有位置反馈的闭环控制系统。

3.1 系统功能图

如图4所示,整个系统以微控制器为核心。通过4位拨码开关来选择系统的工作模式,如画指定长度的直线,沿指定方向画直线或画指定半径的圆等。4×4的矩阵按键用于输入系统的参数,如所画直线的长度、方向角,圆的半径等。角度检测模块用于测量摆杆x轴方向和y轴方向的角度。单片机根据输入的系统参数和检测出的当前角度值来计算出各个电机的输出量,并通过PWM模块输出给电机驱动,电机驱动带动4个空心杯电机转动,使之产生一定的风力,不同的电机转动会产生不同方向的风力,且方向相互垂直,由此便可以任一方向调整摆杆位置,使摆杆达到目标位置。摆杆位置的变化又作用于角度检测模块,使角度检测模块的测量值发生变化[10],从而形成了一个闭环控制系统。OLED液晶屏则用来显示系统的各项参数,并提供简单的UI界面,方便操作及调试。LED指示灯和蜂鸣器用来指示是否达到设定的状态。通过单片机上的UART模块将x轴及y轴方向角和一些调试信息发送到上位机,用计算机将其处理成可视化的图形图像,用于实时监测,给后期调试带来便利。

3.2控制算法分析

将风力摆建立如图5所示的数学模型,设摆杆的旋转支点到重物(执行机构)重心的长度为L,重物重心到底板的高度为h。以摆杆自然下垂时,激光笔照射在底板上的点为原点O,以底板所在平面的正右方为x轴正方向[11],以底板所在平面的正上方为y轴正方向。则单摆的周期为

当摆杆沿某一方向摆起角度θ时,激光笔在底板上的照射点到原点距离

即若要控制激光笔照射在点Px(x,0)时,则需控制摆杆在x轴方向的目标角度[12]

若要控制激光笔照射在点Py(0,y)时,则需要控制摆杆在y轴方向的目标角度

当同时控制摆杆在x轴和y轴方向角度分别为θx、θy时,则激光笔照射的点的坐标即为P(x,y)。

在理想情况下,摆杆在摆动过程中角度与时间具有较强的耦合关系,且某一时刻摆杆角度在x轴方向与y轴方向的分量与时间t的关系分别为

其中,T为摆杆自由摆动时的周期;α和β分别为x轴方向和y轴方向摆动的最大角度;φx和φy为摆杆刚开始摆动时x轴方向和y轴方向的初相位。

3.3 控制算法设计

3.3.1 沿x轴方向的定长摆动

当激光照射点的轨迹长度设定为2d时,根据式(2)和式(3)计算出x轴方向最大摆角α。根据式(5),为方便控制及计算,将初相φx设为0,将y轴方向的目标角度θy设为0,系统时间t由微控制器的定时器模块产生,则可计算出每一时刻x轴方向的目标角度θx。此时,摆杆目标角度在x轴及y轴方向上的分量与时间t的关系分别为

3.3.2 沿设定方向的定长摆动

当轨迹长度设定为2d,摆动方向设定为γ时,则摆起最大角度θ、x轴方向最大角度α、y轴方向最大角度β应满足方程

根据式(2)~式(5),将初相φx、φy均设为0,则摆杆目标角度在x轴及y轴方向上的分量与时间t的关系分别为

3.3.3 设定轨迹半径的圆锥摆运动

摆杆做圆锥摆运动时,x轴方向和y轴方向的最大摆角α和β相同,但初相位φx和φy相差π/2,当圆形轨迹半径设定为d时[13],根据式(5),将x轴方向初相位φx设为0,则摆杆目标角度在x轴及y轴方向上

4 测试结果与分析

4.1 沿设定方向的定长摆动

4.1.1 测试方法

从静止开始,控制摆杆摆动幅度,分别使激光笔照射点在底板上沿x轴方向、30°方向和-45°方向画出长度为50 cm的直线轨迹,达到稳定后,再分别用刻度尺和量角器测量连续5个周期的各轨迹长度及方向,并用上位机记录这5个周期中控制系统测量出的x轴方向和y轴方向的角度值。

4.1.2 结果与分析

测试结果如表1,表2及图6(a)~图6(c)所示。表1数据显示了连续5个周期中激光照射点在所测量的3个方向上扫过的轨迹长度。从表中数据可看出,轨迹长度都在50 cm上下浮动,且误差不超过±5 mm。表2显示的是连续5个周期中,3种设定角度下激光照射点扫过轨迹的方向角。可以看出,方向角的误差也不超过±3°。图6显示了摆杆在摆动过程中x轴方向和y轴方向的实时角度值。其中实线为x轴方向角度,虚线为y轴方向角度,点线为目标角度的参考线。图6(a)中,y轴角度一直在0°上下小范围内浮动,而x轴角度呈正弦函数曲线形状,且幅度和目标最大角度基本一致,这与算法分析中式(6)基本吻合。其中最大目标角度θx=17.354°,即点线位置对应的角度值,此数值是根据摆长L=0.67 m及高度h=0.13 m,再通过式(3)计算得出。同样,图6(b)、图6(c)中测量值与计算值基本一致,且与式(8)和式(9)基本吻合。可看出摆杆在摆动过程中有良好的线性度及精度。

4.2 设定轨迹半径的圆锥摆运动

4.2.1 测试方法

先在底板上从0°方向开始,每60°作一个到原点距离为25 cm的参考点,用黑色标记标出,并沿这一方向以黑色标记为零点做出一段长度为20 mm刻度尺。然后从静止开始,控制摆杆摆动幅度,使激光笔照射点在底板上画出半径为25 cm的圆形轨迹。达到稳定后,分别记录每个周期中照射点扫过的轨迹在上述6个测量方向上相对于黑色标记的偏移量。连续测量5个周期,并用上位机记录这5个周期中控制系统计算出的x轴方向和y轴方向的角度值。

4.2.2 结果与分析

测试结果如表3及图6(d)所示。从表3可以看出,连续5个周期内测量的30次偏移量都在±5 mm以内,说明所画的圆型轨迹圆度误差<5 mm。图6(d)中,x轴角度与y轴角度都呈正弦函数曲线形状,且最大值都在最大目标角度17.354°附近,只不过x轴角度曲线比y轴角度曲线落后了T/4,即初相落后了π/2。此曲线与算法分析中式(9)基本吻合。

5 结束语

实验表明,本高精度风力摆控制系统能控制摆杆的摆动方向角度误差<3°,摆动幅度误差<5 mm,圆锥摆圆度误差<5 mm,符合预期要求。本系统在机械结构、电路以及PID控制算法[14]上均做了众多提高控制精度的设计。在机械结构设计中有许多创新之处,特别是角度检测模块的设计、执行机构的设计等。在算法设计中也提供了一些方法和思路供读者参考。通过硬件和软件整体设计制作了一套结构完整、功能模块化、反应灵敏的风力摆控制系统[15]。

摘要：本系统设计制作一套由轴流风机为动力源的单片机精准控制系统。系统采用MC9S12XS128微控制器作为主控芯片,选用MPU6050六轴运动传感器及WDD35精密导电塑料电位器作为摆杆的角度检测模块,并采用四个空心杯电机作为系统的执行机构。该系统采用PID控制算法,控制摆杆做摆动方向和摆动幅度均可设定的平面单摆运动及摆动半径可设定的圆锥摆运动。实验结果表明,该风力摆控制系统摆动方向角度误差<3°,摆动幅度误差<5 mm,圆锥摆圆度误差<5 mm。

关键词：风力摆,MC9S12XS128,MPU6050,WDD35,PID

风力摆控制系统设计 篇2

题目：风力发电机控制系统研究

学院：信息工程系电气工程及自动化

专业：电机电器

班级：电气051班

学号：7022805017

姓名：熊寅

指导教师：江智军

填表日期：2008年4月4日

一、选题的依据及意义

1.1 选题依据:

传统风力发电机组大都采用三桨叶与轮毅刚性连接的结构，即定桨距风轮。桨叶端部

1.5—2.5m的部分设计一般设计成可控制的叶尖扰流器，当风力发电机组需要停机时，扰流器可旋转90度形成阻尼板，使风轮转动速度迅速下降，这一机构称为气动刹车。

随着风力发电机组设计制造水平的不断提高，在大型的风力发电机组中已经普遍开始采用变桨距风轮。变桨距风轮的桨叶和轮毅不再是刚性连接，而是通过可以转动的推力轴承或者专为变桨结构设计的联轴器来联接。这种风轮的优点在于可以根据风速来调节气流对叶片的攻角，当风速超过额定风速时，通过调节风轮的受力可以使风机保持在稳定的输出功率上。而且，在大风的情况下可以调节风机处于顺桨状态从而改善整个风机的受力状况。

与火电煤电等常规发电方式不同，风力发电机组需要频繁地起停，并且转动惯量很大，转速大都设计在每分钟十几到三十几转之间，机组容量越大，风机的转速越低。所以，传统的风力发电机组的风机与发电机之间通常需要增设增速齿轮箱。而风力发电厂的安装和运行经验都表明，齿轮箱往往是维护工作量最大的一个部件，也是成本最高、寿命最短的部件之一，故此，如何提高齿轮箱的可靠性或者是否可以取消齿轮箱就成为广大风力发电研究者的研究课题之一。

变速恒频直驱型风力发电机组在运行时，风机不接增速齿轮箱，直接和发电机祸合;发电机的定子为三相绕组或多相绕组，转子为永磁或电励磁结构;定子发出非工频的电能，电压也随转速变化;系统中有整流逆变装置，发电机发出的电压和频率都在变化的交流电经整流逆变后变成恒压恒频的电能输入电网;通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率，实时满足电网的功率需要。在变速恒频直驱风力发电机组中，整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等。

1.2选题意义：

变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是

在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景1)传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降。采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，要风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上。(2)变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。(3)采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒频发电系统更易实现并网操作及运行。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到各国的重视。首先，它来自于自然，取之不尽用之不竭;其次，风力发电只降低了风的速度，并不产生任何有害的物质，对大自然没有污

染。这些优势使得人们对它青睐有加。

随着风力发电应用得越来越广，在整个能源结构中所占比例越来越大，风力发电技术要朝着大功率、高效率、直驱式、变转速、变桨距和最优控制等方向发展，达到提高机组运行性能、提高风能利用率、简化结构提高可靠性、减少材料消耗、降低机组重量、降低造价的目的。对我们能源节约的问题上有着重要的意义。

二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）

2.1 国内研究现状及发展趋势：

我国虽然是在20世纪70年代就开始研制大型并网型风力发电机组，但直到在90年代国家“乘风计划“的支持下，风力发电才真正从科研走向市场。在国家有关部委的支持下，额定功率为Zoowk、25OWk、300wk、600姗的风力发电机组已研制成功，ZOOWk~600wk的大型风力发电机组制造技术己基本掌握，并开始研制兆瓦级风力发电机组。我国自主开发的20OWk~300wk级风力发电机组的国产化率已超过9%0;6O0Wk风力发电机组样机的国产化率达到80%左右。此外还开发了一批风光、风柴联合发电系统。浙江省机电设计研究院研制的20Owk风力发电机组，于1997年4月通过了国家级技术成果鉴定，同年12月又完成了中试样机的研制。由上海蓝天公司主持研制的300wk风力发电机组，1998年初在南澳风电场投入并网运行，目前运行情况良好。在6O0wk风力机研制方面，由国家科委立项，新疆风能公司、浙江省机电设计研究院等单位主持的大型风力机国产化项目也迈出了坚实的步伐。到2003年，我国己在11个省区建立了27个风电场，总装机容量达46万wk。其中达坂城风电场累计安装风力发电机组172台，装机容量达到9.2万kw;南澳风电场安装风力发电机组近百台，装机容量达到4.8万kw;内蒙辉腾勒风电场装机容量也超过3万kw;福建的坪潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在规划建设500wk、6O0wk、800wk容量不等的风力发电场。其次，浙江、福建、广东沿海及新疆、内蒙古自治区都有较大功率的风力发电场。东部沿海有丰富的风能资源，距离电力负荷中心近，海上风电场必将成为今后我国新兴的能源基地。

虽然我国近几年风电发展很快，装机量以每年20%以上的速度递增，但风电仍仅占全国电力总装机的0.11%。相比国外，我国在风力发电技术的研究上比较落后，企业生产规模小，工艺技术落后，一些原材料和产品国产化程度低，重要原材料和零部件以及大容量的风力发电装置绝大多数依靠进口。国内自制的风力发电机多为异步发电机，不能做到变速恒频发电，不能有效地利用各种风况下的风能。总体上，我国的风力发电目前仍处于起步阶段。

为更好地实施国家可持续发展和西部大开发战略，国家计委、科技部、国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划，其中包括国家的光明工程和863计划——后续能源技术主题等国家重大科技发展项目。我国风力发电指导思想是以市场为导向，选择成熟的、具有市场前景的技术、产品作为产业发展的重点，提出合理的发展目标，制定符合市场发展的产业政策。采取规范市场的措施，进一步推动新能源和可再生能源技术的开发和应用。我国风力发电划是重点开发6O0kW及以上风力发电机组，实现规模化生产;研究开发无齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新型风力发电机组;提高10kw以下离网型风力发电机的生产技术水平，推广风/光互补、风/柴互补和风/光/柴联合供电系统。我国风力发电的主要目标是:2005年并网风力发电装机容量达到120万kw，形成15一20万kw的设备制造能力，以满足国内市场需求;到20巧年新能源和可再生能源年开发量达到4300、万吨标准煤，占我国当时能源消费总量的2%，该产业将成为国民经济的一个新兴行业，拉动机械、电子、化工、材料等相关行业的发展，对减轻大气污染、改善大气环境质量作用明显，将减少3000多万吨的温室气体及200多万吨二氧化硫等污染物的排放，提供近50万个就业岗位。可见，有了国家的重视和政策的支持，风力发电必将有广阔的发展前景。

2.2 国外研究现状与发展趋势：

首先从装机容量上来看近几年世界风力发电的发展。到2001年，全球总装机容量为25273MW，其中德国装机容量为8OOOWM，名列首位，占世界风电装机容量的30%。美国装机容量达4000WM，名列第二。西班牙为3300WM，名列第三。丹麦装机容量265OWM，英国为65OWM，中国为400WM，排列第八位。到2002年底，世界总装机容量为32037WM，而欧洲占全世界的74.4%，为23832MW。据预测，在2001一2005年的5年间，全世界新增风力发电设备的发电能力约为3900WM，到2010年全世界总装机容量会超过140000WM，预计2020年的世界风力发电量将占全世界总发电量的10%。

其次，从政策上来了解各国对发展风力发电的态度。为促进风力发电的发展，世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策，主要包括有:投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、从电费中征收附加基金用于发展风电、减排C02奖励等。欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业;美国通过金融支持，由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业;印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流发展风力发电;日本采取的措施则是优先采购风电。多种多样的优惠政策促进了各国风力发电的快速发展。

三、本课题研究内容

本文以变速恒频直驱风力发电机为控制对象，对由其构成的风力发电系统及其相关的控制技术进行研究，研究内容主要包括以下几个方面：

1.深入研究变速恒频风力发电技术;

2.针对变速恒频风力发电技术，相应提出同步风力发电机的控制策略;

3.设计搭建实验平台，用于测试控制策略的可行性;

4.完成主要控制部分的软件设计;

5.结合平台完成实验并分析实验结果。

四、本课题研究方案

本文首先从传统的风力发电机组开始分析，研究变速恒频直驱风力发电技术与其具有哪些不同以及具有的的优势，然后谈及同步风力发电机组的控制略、运行原理和发电系统的组成。研究方案中还包括控制系统中硬件部分的组成和软件部分的组成，如何通过仿真模型实验来验证这种控制方案的实施。

五、研究目标、主要特色及工作进度

5.1研究目标。

5.2 主要特色

伴随着风力发电产业的发展和对风能利用水平要求的不断提高，风力发电的控制系统一直处在人们关注的焦点之下，是人们不断研究和改进的对象。同步风力发电机系统以其无齿轮箱、输出有功和无功功率可调节等优势曾经博得过人们的青睐，但因其难以满足恒速恒频的控制要求一度退出风电舞台。现在，电力电子技术的发展使得同步风力发电机的控制变得更加简单，变速恒频技术的进步给同步风力发电机的应用提供了更广阔的空间。

变速恒频直驱风力发电技术的优点有:可以实现最大风能获取，对永磁机组而言有较高的效率;有较宽的转速运行范围，可在-30%～+15%的转速范围内运行;没有齿轮箱，可靠性好;控制简单，可灵活地调节有功和无功功率。

六、参考文献

[29]Chung D W, Unified Voltage Modulation Technique for Real Time Three-Phase Power Conversion [J].IEEE Trans.On Industry Application, 1998

[30]C.S.Berendsen, G.Champenois, J.Pavoine.Commutations Strategies for Brushless D.C.Motor Influence on the Instant Torquc.IEEE, 1990

[31]Nicola Bianchi, Silverio Bolognani and Brian J.Chalmers.Salient-Rotor PM Synchronous Motors for an Extended Flux-Weakening Operation Range.IEEE Trans.On Industry Application, 2000

[32]BrianJ.Chalmers,andLawrenceMusaba.DesignandField-Weakening Performance of a Synchronous Reluctance Motor with Axially-Laminated Rotor.IEEE Industry Society Annual Meeting, New Orleans, Louisiana, 1997

[33]M Marinescu, N Marinescu.Numerical computation of torque in permanent magnet motors by Maxwell stresses and energy method [J].IEEE Trans.On Magnetic s, 1988

一种风力摆系统的设计 篇3

1.1 系统总体设计

本系统硬件包括主控芯片STM32、角度传感器MPU6050、电机驱动模块BTN7961、摆杆、万向节及支架。该系统采用STM32开发板作为主控模块, STM32单片机通过读取角度传感器MPU8060的三维角度数据从而判断摆杆的偏摆方向和角度, 通过PID控制算法计算后, 输出相应的PWM控制信号给电机驱动模块, 控制轴流风机风速, 从而使摆杆达到相应的运动状态和位置。

1.2 主控芯片的选择

方案1:采用入门级51或者AVR、PIC等流行已久的8位MCU作主控。价格低廉, 资料众多, 但功能有限, 计算能力有限。

方案2:采用STM32系列的STM32F103RCT6。风力摆控制系统要求处理器具有足够的内存、闪存和快速的信号采集能力, 因此, 本文选用手头现有的集成仿真器, 方便软件仿真调试, 板上为STM32F103RCT6单片机, 该单片机超低功耗, 运算速度快, 性价比高。

1.3 电机驱动器的选择

本设计采用BTN7961B集成专用驱动模块。BTS7960是专门针对电机驱动的, 具有大电流输出的半桥式驱动芯片, 它内部自带一个P型的高边MOSFET, 同时自带N型的低边MOSFET, 外加一个独立驱动的集成芯片。P型的MOSFET因为自带开关而省略了电荷泵电路, 故大幅度减小了EMI。内部自带的驱动电路具有电流诊断、逻辑电平输入、死区产生电路、斜率调整电路, 同时具备过温度、过电压、欠电压、过电流和故障短路保护的功能。其内部2个MOSFET具有低至16mΩ通态电阻, 最大驱动电流高达43A。

故综上所述, 考虑经济以及驱动电流在4A以上等综合因素, 本文选择使用BTN7961B模块驱动。

1.4 角度传感器的选择

这里, 本文采用角度检测专用芯片MPU6050。它具备角速度的全格感测, 范围可达±250°/sec, ±500°/sec, ±1000°/sec和±2000°/sec, 这种精确度可保证其准确跟踪快速和慢速的转动。此外, 可自编程控制的加速器亦具备全格感测, 范围可达±2g, ±4g, ±8g及±16g。该产品的信号传输可穿透最高达400k Hz的厚膜集成电路, 以及最高达20M的SPI。MPU6050可工作于不同电压下 (2.7~5.5V) , 其VDD端可接受2.5V, 3.0V或3.3V (±5%) 的供电电压, IO逻辑接口的供电电压为1.8V±5% (MPU6050仅使用VDD) 。MPU6050的封装尺寸为4×4×0.9mm (QFN) , 这在业内是具备极强竞争力的尺寸。除此之外, 它还包含以下主要特征:内置的温度感测器, 工作环境中频率只有±1%波动的内部振荡器。不仅如此, 尺寸小, 精度高, 功耗低, 经济实惠, 运用成熟。

结合所学的知识点和经济实惠的角度, 以及平常对MPU6050角度传感器接触较多, 本文最终选用了MPU6050。

1.5 控制算法的选取

众所周知, PID控制算法是针对过程控制的被控变量的, 其规律是按偏差或偏差率的比例、积分和微分进行控制的一种调节器 (简称PID调节器) , 它是工程中应用最为广泛的一种控制算法。这种算法原理简单, 方便实现, 适用对象广, 控制参数不需要解耦, 控制参数的设定相对简单等。而且通过理论足以证明, 对于过程控制中典型的一阶滞后+纯滞后对象、二阶滞后+纯滞后对象, PID控制算法属于最优控制算法。PID调节器是针对单变量连续系统的动态品质而采取的一种有效的校正方法, 具有参数整定方式简单、参数 (PI, PD) 改变灵活的特点。

由于笔者对PID比较熟悉, 运用比较多, 故选择了PID控制算法。

2 理论分析计算

2.1 电动机选型

方案1:选用台湾三巨电机有限公司的SJ8025HD2, 12V的直流电机, 输入电流0.4A, 转速3000转 (r/min) 。风力强劲, 性价比高, 市场使用普遍, 资料较多, 使用方便, 便于购买。

方案2:选用台达9038 12V 4.5A 9CM暴力大风量增压机箱风扇, 转速高达7900转, 电机工作电压:10.8~13V, 电机标称电流:4.5A, 电机功率:54W, 耐电压:汇漏电流0.5m A500/1min。性价比极高, 方便购买, 资料充足。

因此综上所述, 本文选择了台达的9038。电压、尺寸都满足要求, 输出电流大, 风力强劲, 质量较轻。

2.2 摆杆状态检测

在本设计中, 摆杆的角度测量所用的部件为角度传感器MPU6050。摆杆的一端固定在万向节上, 另一端固定在轴流风机上。将角度传感器放在轴流风机上方, 可随摆杆的摆动而摆动, 其可调端输出电压也会随之而变化。将角度传感器测得的三维数据传回单片机进行处理, 从而得到摆动的角度。

2.3 控制算法

PID算法是比例微分、积分、控制器控制的过程。

2.3.1 比例系数Kp

比例系数Kp的值数决定了调节器调节过程的快慢, 实际中Kp不易过大, 不然容易导致控制系统的超调或振荡现象, Kp过小又起不到调节作用, 比例控制无法消除余差。

2.3.2 积分调节系数Ti

积分作用可消除控制偏差, 积分常数Ti的大小决定了积分作用强弱程度, 积分作用通常使系统的稳定性下降。因此, 积分常数Ti大小的选择要得当。

2.3.3 微分调节系数D

当偏差e瞬间波动过快时, 微分调节器立即产生响应, 抑制偏差的变化, 使系统更趋于稳定, 改善系统的动态性能。

3 硬件电路与程序设计

3.1 电源电路设计

本文采用SDD-100开关电源, 交流输入:220V±20%, 直流输出5V/13A, 12V/2A, -5V/1A, -12V。

3.2 电机驱动电路设计

在这个模块设计时, 本文采用BTN7961B集成专用驱动模块。BTS7960是专门针对电机驱动的、具有大电流输出的半桥式驱动芯片, 它内部自带一个P型的高边MOSFET, 同时自带N型的低边MOSFET, 外加一个独立驱动的集成芯片。P型的MOSFET因为自带开关而省略了电荷泵电路, 故大幅度减小了EMI。内部自带的驱动电路具有电流诊断、逻辑电平输入、死区产生电路、斜率调整电路等功能, 同时具备过温度、过电压、欠电压、过电流和故障短路保护的功能。其内部2个MOSFET具有低至16mΩ通态电阻, 最大驱动电流高达43A。BTS7960的Is引脚具有电流自动检测功能, 当其工作在正常模式下, 从该引脚检测到的电流与流经高边MOSFET的电流成正比, 若Ris=lk Q, 则Vis=Iload/8.5;在故障条件下, 从Is引脚流出的电流等于IIS (1im) (约4.5m A) , 最后的结果是:Is为高电平。

3.3 程序流程图 (见图1)

4 测试与分析

本文采取如下方法对系统进行测试。测试针对设计任务中的每一个要求都进行测试, 每个要求都测试5次, 取其平均值最为最终数值。

(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。如表1所示。

(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。如表2所示。

(3) 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。如表3所示。

(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。如表4所示。

摘要：文章介绍了风力摆控制系统的设计与制作。系统以STM32为主控芯片, 通过角度传感器MPU6050将三维数据传给单片机, 单片机输出相应的PWM方波, 通过电机驱动模块BTN7961控制轴流风机的风力大小, 从而实现对风力摆控制系统的控制。根据风力摆的数学模型分析, 确定了万向节和摆杆之间的PID控制算法, 并在实验中优化控制参数。经反复试验, 证明该系统实现了设计的要求。

关键词：STM32F103RCT6,角度传感器,电机驱动模块BTN7961,轴流风机

参考文献

[1]郭天祥.MSP430单片机C语言开发与应用实例[M].北京:电子工业出版社, 2009.

[2]康华光.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 2005.

风力摆控制系统设计 篇4

1 风力摆控制系统简述

1.1 机械机构

如图1所示,本系统由支架、万向节、细管、风力摆、单片机五部分构成。系统采用单臂梁结构,悬挂臂固定一个万向节。细管上方相连万向节,细管下方连接风力摆,细管自然状态下垂直向下。单片机放置于支架上。

机械结构示意图

1.2 风力摆结构及选型

风力摆由风机组、加速度陀螺仪传感器、激光笔、支架构成。如图2所示,支架上风机组由4个直流风机构成,呈十字型分布,并且螺旋桨产生的风向内吹,形成起摆动力。加速度陀螺仪传感器放置在支架平面上,能很好地检测运动状态,与直流风机呈X字型分布。激光笔安装在支架下方垂直向下。

2 PID控制

2.1 姿态解算

使用欧拉角来表征风力摆在空间中的姿态,可由加速度陀螺仪传感器解算所得。在本系统中,由于风力摆固定在万向节下的细杆上,故不会产生自旋的现象,即不会产生Z轴上的角度,无需考虑偏航角,仅考虑滚转角、俯仰角即可[2]。

2.2 双闭环PID控制

当风力摆正常运行时,突遇外力干扰(如题述台扇吹风),使加速度传感器采集数据失真,造成姿态解算出来的欧拉角错误。如果只用角度单闭环控制,很难使系统稳定运行,因此可以加入角速度作为内环,角速度由陀螺仪采集,采集值一般不受外界影响,抗干扰能力强,且角速度变化灵敏,当受外界干扰时,回复迅速。风力摆控制系统的双闭环PID控制,欧拉角作为反馈量,角度作为外环,角速度作为内环,外环输出作为内环输入,经积分限幅、输出限幅得到PID输出,并输出到油门,实现姿态控制。其中,油门值即输入电子调速器的PWM波占空比,用于修正风机组各个电机的转速,达到预期的滚转角、俯仰角。

由位置式数字PID计算公式[3],可得姿态PID控制公式:

式(1)为角度环PID计算公式,式(2)为角速度环PID计算公式。Angel PIDOut(t)为角度环PID输出,Angel Rate PIDOut(t)为角速度环PID输出。e(t)=期望角度-实际角度,e'(t)=Angel PIDOut(t)-实际角速度。姿态PID控制流程如图3。

2.3 油门输出计算

上述对滚转角、俯仰角的PID计算,实质是用误差计算力矩。接下来,根据直流风机与加速度陀螺仪传感器的摆放关系,推导出油门输出公式,即用力矩控制油门。

如图4所示,地理坐标系采用东北天坐标系,X向东,Y向北,Z指天。电机摆放为“X”型,在x Oy平面上,第一二三四象限对应的电机为2、1、4、3号,4个电机的风均向内吹。

假设电机提供的力矩与油门成正比,如果需要x轴的力矩,则油门值应为:1、2电机正,3、4电机负,记作[1 1-1-1]。要增加X轴的力矩,油门需要变化的方向为dx=1 1-1-1。引入x轴的力矩修正系数:MOx,则当需要增加x轴Δmox力矩时,油门增量:

y轴同理。要增加y轴的力矩,油门需要变化的方向为dy=[-1 1 1-1]。

力矩修正系数用于平衡各轴的响应灵敏度,x、y轴的力矩由螺旋桨旋转的合力提供,响应灵敏,用PID控制器的输出表示。把x、y轴的油门分量加起来就是任意轴的情况,最后经过X字飞行模式油门输出公式,计算出4个电机输出油门:

式(3)中th rot tle1out到th rot tle4out为油门1到油门4输出值,与图2、图4中的电机号对应,rollout为滚转角PID输出值,pit chout为俯仰角PID输出值。

3 主程序设计

如图5所示,系统上电后,首先完成初始化,包括打开串口、初始化加速度陀螺仪传感器。接着等待选择模式,选择对应模式后,更新传感器数据,根据模式内置的参数调用PID控制器,计算四个电机所需的PWM波占空比,完成指定任务,不断循环[4]。

4 测试

本次测试分别测试单环PID和双环PID的波形,其余条件不变。PID控制更新周期T≈2ms,起始值为滚转角50°、俯仰角0°,设定值为滚转角10°、俯仰角0°。将风力摆采集的滚转角值通过串口线发送到PC机上,记录数据并绘制图形分析波形。上位机显示单环PID与双环PID的滚转角波形如图6所示,波形图横坐标单位为20ms,纵坐标单位为度。由图6可知,双环PID控制的风力摆的滚转角波形经过很少的波震荡后近似归为设定值,系统能很快进入稳定状态;而单环PID则需要较长时间。其他欧拉角测试结果类似。

5 结论

本文主要研究了基于风力摆控制系统的双闭环PID控制算法。在角度PID闭环控制的基础上,增加了内环角速度环,不仅抗干扰能力强,而且反应迅速,增强了系统的鲁棒性。

参考文献

[1]陆伟男.基于四轴飞行器的双闭环PID控制[J].科学技术与工程,2014.

[2]张明廉.飞行控制系统[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[3]胡涛松.自动控制原理[M].6版.北京:科技出版社,2013.

风力摆控制系统设计 篇5

本风力摆控制系统由Atmega16单片机控制模块、角度传感器采集模块、液晶显示模块、三个风力摆组成模块、电机驱动模块AQMH2407、按键控制模块以及风力摆机械结构组成的闭环控制系统。风力摆由万向节连接碳素杆再连接风机组成。两片SCA60C角度传感器放在碳素杆上检测风力摆摆动角度, 单片机Atmega16将采集到摆动角度通过PID精确算法调节产生相位可调PWM方波控制直流风机的转速。本系统结构框图如图1所示。

2 控制系统硬件组成与实现设计

2.1 系统主控制模块

采用ATmega16为控制核心。采用Atmega16芯片为控制核心。该芯片具有高性能、低功耗以及运算速度快等特点, 拥有8位AVR微处理器, 32个8位通用工作寄存器, 全静态工作, 16KB的系统内可编程Flash, 内存量大, 还拥有上电复位以及可编程的掉电检测功能, 支持扩展的片内调试功能, 32个可编程I/O口, 而且功耗小。

2.2 系统驱动模块

采用专用的电机驱动芯片, 例如L298N、L297N、AQMH2407等电机驱动芯片, 由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力、安全、可靠性, 因此我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以。由于风力摆需要的风力较大, 所以需要电流较大的电机驱动芯片, 因此不选择L298N和L297N, 电机驱动模块选用AQMH2407。

2.3 电机的速度控制和算法的选择

为了达到对速度的控制要求, 采用脉宽调制方式 (PWM) 从I/O口输出不同占空比的脉冲, 经滤波后获得不同高低电平控制电机, 且控制简单易实现、速度快、精度高。

采用PID算法, 按比例、积分、微分的函数关系, 进行运算, 将其运算结果用以输出控制。优点是控制精度高, 且算法简单明了。对系统的控制精确, 节约了单片机的资源和运算时间。

2.4 风力摆控制方案

采用2只0.8A轴流风机和1只自制直流风机, 自制风机可以解决轴流风机无法反转的问题, 两个轴流风机对向而立, 自制直流风机放在轴流风机之间, 即可以是激光笔画出直线也可以画圆, 自旋少。

3 控制系统软件设计

3.1 PID算法的设计与实现

本系统采用PID算法来控制风机转动的速度。风机开始工作后, 角度传感器采集当前风力摆角状态, 并与之前的状态比较, 使得风力摆的运动状态逐渐趋向于平稳。PID算法控制器由舵机转动角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。其输入e (t) 与输出U (t) 的关系为:

它的传递函数为:

风力摆转动角度比例P:对风力摆角速度进行比例调整, 即对舵机转动速度调整。比例越大, 调节速度越快。但不能过大, 过大可能造成四风机因工作状态突变而是摆杆不稳定。

角度误差积分I:使系统消除稳态误差, 提高无差度。加入积分调节可使系统稳定性下降, 动态响应变慢。本系统追求更快更稳完成对风力摆的控制, 因此, 本系统对积分调节的需要就非常弱。即保证在不需要时系统不会受到影响。

角度微分D:微分作用反映风力摆角度的变化率, 即角速度。具有预见性, 能预见偏差变化的趋势因此能产生超前的控制作用, 在偏差还没有形成之前, 已被微分调节作用消除。因此, 可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下, 减少调节时间。

3.2 系统程序流程

本系统采用4个独立按键输入各参数及测试模式, 系统开机启动进入初始化阶段, 按下指定按键后进入选择界面, 选择界面有6个功能, 分别实现快速起摆、快速恢复静止、画线、画圆的功能, 通过按键可以选择进入相应的功能, 功能执行完毕后系统回到菜单选择界面, 继续等待按键输入执行相应的功能。

4 控制系统的计算与分析

4.1 风力摆状态的测量和计算

SCA60C是一款低成本单轴倾角 (加速度) 传感器, 可以测量垂直Z轴方向的加速度值, 测量范围±1g。将2片SCA60C水平固定在平衡板上, 放在万向节下方固定在摆杆上, 达到实时检测平衡板倾角的目的。系统可以键盘预置倾斜角度, 实时显示角度值。

当直流电机带动平衡板倾斜到使角度传感器SCA60C处于水平位置时, Vo端输出+0.5V的模拟电压。传感器SCA60C仅可精确检测到0~90度的角度范围, 当平衡板转到使角度传感器与水平面成90度的角度时, 此时Vo端输出+5V的模拟电压。在0~90度的倾角范围内, Vo端输出的是正比于倾角大小的+0.5~+5V的模拟电压信号, 当平衡板转动到使角度传感器与水平面间的角度从90度到180度的范围变化时, 输出端Vo输出的是从+5V依次变化到+0.5V的模拟电压信号, 因此通过测定传感器SCA60C输出端Vo电压的大小即可确定平衡板与水平面的夹角。

本文主要针对风力摆控制系统的应用设计了一种直流风机控制系统, 以ATmega16单片机为主控芯片, 采用AQMH2407为驱动元件, 通过硬件和软件整体设计制作了一套结构完整, 功能模块化, 反应灵敏的风力摆控制系统, 实现了直流风机是驱动风力摆的唯一动力, 具有快速起摆、快速恢复静止、画线、画圆的功能, 效果较好, 运行稳定性好。

参考文献

[1]刘治满.AVR单片机 (C语言) 项目开发实践教程[M].北京:人民邮电出版社, 2015.

[2]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京:北京航天航空大学出版社, 2012.