太阳帆板

太阳帆板（通用5篇）

太阳帆板 篇1

0 引言

新一代航天器一般都可以看成中心刚体加柔性附件式的多体结构, 其突出的特点是具有大型的柔性附件 (包括太阳帆板、天线等) 。由于太阳帆板或大型天线的结构大、柔度大、阻尼弱, 在航天器的机动过程中, 航天器中心刚体和挠性附件之间存在着强烈的刚挠耦合, 会导致结构的持续振动, 又由于太空无空气, 不存在空气阻尼, 挠性附件的振动衰减缓慢。降低挠性结构的振动的最有效的方法是近年来发展起来的主动控制技术。变结构主动控制的一个特点是在滑动模态下对系统参数变化和外部扰动具有很强的鲁棒性。应用变结构控制对太阳帆板进行振动抑制[1,2], 设计出一种鲁棒性强的变结构控制律, 从而有效抑制了太阳帆板的大幅度振动。利用SMA丝在约束条件下改变其温度[3,4], 可以产生很大恢复应力的特点。将SMA丝植入帆板中, 形成SMA驱动器, 采用经典线性最优控制有效抑制了帆板的小幅度振动。

1 动力学模型

系统简化模型如图1所示, 它是由中心刚体和固连在刚体上太阳帆板 (可以看成挠性梁) 构成。假设刚体被限定在只能绕通过O点的垂直轴作旋转运动, 挠性梁在水平面内运动。忽略梁的轴向延伸和扭转变形, 只考虑梁的弯曲变形。挠性梁沿y方向振动位移为u, 主体转动惯量为JC, 转动角为θ, 固支点到中心O的距离为r, 设挠性梁的质量密度为ρ, 抗弯刚度为EI, 长为L, 宽为W, 厚为H。将一组SMA丝植入距离太阳帆板中心层b的上下两侧的孔内并且两端固定。其中每组分别由N根SMA丝构成, 如图2所示。

当通入电流使上半驱动器升温, 而下驱动器不通电时[图3 (a) ], 上半组SMA丝将收缩并产生应力, 该应力和SMA丝到帆板中性轴的距离b的乘积即为抵抗帆板运动的恢复力矩Ma。同时, 由于帆板本身的刚度, 也产生一定的恢复力抵抗梁的振动。当通入电流使下半驱动器升温, 而上半驱动器不通电时[图3 (b) ], 下半组SMA丝将收缩并产生一定的应力, 同时将产生抵抗悬臂梁运动的恢复力矩Mb。若根据一定的控制规律, 交替对两个SMA驱动器进行加热和冷却, SMA丝将会重复收缩和膨胀, 并产生所需的控制力矩。

由SMA丝所产生的任意时刻控制力矩为

M (t) =Fa (t) b-Fb (t) b=

[∑Amσm (t) -∑Anσn (t) ]b (1)

式中:Fa (t) 和Fb (t) 分别为t时刻SMA上下驱动器中所有SMA丝拉力的合力;m为上半SMA驱动器中SMA丝的代码;n为下半SMA驱动器中SMA丝的代码;Am, An分别为第m和第n根SMA丝的截面积;σm (t) , σn (t) 分别为第m和第n根SMA丝t时刻的应力。

应用SMA的Brinson本构模型[5], 即dσ/dt=D (ξ) dε/dt+Ω (ξ) (dξs/dt) +Θ (ξ) (dT/dt) , 其中, σ为第二类Piola-Kirchhof应力, ε为Green应变, ξ为马氏体的质量分数, D (ξ) 为形状记忆合金的弹性模量, Ω (ξ) 为形状记忆合金的相变系数, Θ (ξ) 为形状记忆合金的热弹性系数, T为温度。可以得到电流强度与应力之间的关系为[4,6]:

$\frac{\text{d}\sigma }{\text{d}t}=-\frac{\lambda {}_2}{1-\lambda {}_1}\left[\frac{4h{}_L}{\text{d}C{}_v}({\rm T}-{\rm T}{}_e)-\rho {}_e{\rm I}{}^2(t)\right]$ (2)

式中:Te——环境温度;

Cv ——材料的比热;

hL ——SMA的热交换系数;

d ——SMA丝的直径;

ρe ——SMA的电阻率;

I (t) ——电流强度;

λ1和λ2 ——与相变状态有关的量。

u (x, t) 表示帆板上坐标为x (ox的长) 之点于t时刻沿y向振动位移。并设帆板上x点的运动规律为:

$u(x,t)=\underset{j=1}{{\displaystyle {\displaystyle \sum }^n}}\phi {}_j(x-r)q{}_j(t)=\phi q$

其中φj ( x-r) ( j=1, 2, …, n ) 为帆板各阶振型, qj (t) 为模态坐标, 由Lagrange方程得到系统的动力学方程如下:

式中:J=Jc+∫${}_r^{r+L}$ρx2dx——卫星整体转动惯量;

G=∫${}_r^{r+L}$ρxφTdx——中心刚体与太阳帆板的耦合矩阵;

φTKφ=diag (ω${}_1^2$, ω${}_2^2$, …, ω${}_n^2$) ;

φTCφ=diag (2ζ1ω1, 2ζ2ω2, …, 2ζnωn) ;

C, K——分别为阻尼、刚度阵;

ζi, ωi (i = 1, 2, …, n) 分别为帆板的固有频率和阻尼比;

uc, up——分别为作用在中心刚体上的力矩和施加在SMA丝上的电流;

y——传感器的输出位移;

D ——SMA驱动器对各阶模态的影响矩阵;

Rs ——传感器的输出影响矩阵。

考虑到挠性振动的能量主要集中在低阶模态, 高频模态振幅小, 能量小, 不易被控制系统激励, 可以当作扰动看待。文中取一、二阶模态, 取状态向量, $x=[\theta q{}^{{\rm T}}\dot{\theta }\dot{q}{}^{{\rm T}}]{}^{{\rm T}}‚u=[u{}_{c}u{}_p^{{\rm T}}]{}^{{\rm T}}$, 则挠性卫星太阳帆板的动力学模型为:

$\begin{array}{l}\text{其}\text{中}:\mathit{A}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& {\rm I}\\ 0& J{}_{1}G{}^{{\rm T}}\phi {}^{{\rm T}}{\rm K}\phi & 0& J{}_{1}G{}^{{\rm T}}\phi {}^{{\rm T}}C\phi \\ 0& -J{}_{2}J\phi {}^{{\rm T}}{\rm K}\phi & 0& -J{}_{2}J\phi {}^{{\rm T}}C\phi \end{array}\right]\\ \mathit{B}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ J{}_1& -J{}_{1}G{}^{{\rm T}}R\\ -J{}_{2}G& J{}_{2}JR\end{array}\right]\\ E=[0R{}_S]\\ J{}_1=(J-G{}^{{\rm T}}G){}^{-1},J{}_2=(J{\rm I}-GG{}^{{\rm T}}){}^{-1}\end{array}$

3 变结构控制[7]

选取滑模超曲面:

$s=fe{}_{\theta }+\dot{e}{}_{\theta }$ (5)

式中:eθ——因外界扰动所产生的转角误差;f>0。

采用如下的趋近率:

$\dot{s}=-k\mathrm{sgn}(s)$ (6)

从而可以得到:

$\begin{array}{l}u=-G{}^{{\rm T}}\phi {}^{{\rm T}}{\rm K}\phi q-G{}^{{\rm T}}\phi {}^{{\rm T}}C\phi \dot{q}-(J-G{}^{{\rm T}}G)\times \\ [f\dot{e}{}_{\theta }+k\mathrm{sgn}(s)](7)\end{array}$

其中:k为任意正数;

sgn (s) 为符号函数。

该控制律必然引起变结构控制系统的固有颤振, 由于控制的高频切换可能激励挠性帆板的高频模态。因此, 必须对上式进行修正, 以消除颤振。

所以用饱和函数sat

$(s)=\{\begin{array}{cc}1& s＞\delta \\ \frac{s}{\delta }& |s|\le \delta \\ -1& s＜\delta \end{array}$

代替符号函数sgn (s) , 则式 (7) 修正为:

$\begin{array}{l}u=-G{}^{{\rm T}}\phi {}^{{\rm T}}{\rm K}\phi q-G{}^{{\rm T}}\phi {}^{{\rm T}}C\phi \dot{q}-\\ (J-G{}^{{\rm T}}G)(f\dot{e}{}_{\theta }+k\text{s}\text{a}\text{t}(s))(8)\end{array}$

图4～图6分别为太阳帆板受控制情况下卫星主体角位移θ以及太阳帆板自由端部位移u随时间的变化情况, 各个元素的参数值详见文献[8]。结果表明, 变结构控制律[式 (8) ]能有效地抑制太阳帆板的振动, 并可实现航天器大角度机动, 但在太阳帆板自由端部仍存在小幅度的弹性振动。

4SMA驱动器的经典线性最优控制

SMA驱动器的控制采用经典线性最优控制。

$u{}_p=F\left[\begin{array}{l}q\\ \dot{q}\end{array}\right]=-\frac{1}{2}R{}^{-1}{\rm H}{}^{{\rm T}}{\rm P}\left[\frac{q}{\dot{q}}\right]$

式中:R——控制力向量权矩阵;

H——位置指示矩阵;

L——nXm维控制装置位置矩阵, 当第i个自由度上装有第j个控制装置时, Lij=1, 其余元素为0;

P——Riccati矩阵。

代入式 (3) 中, 新的状态方程为

$\dot{x}=Ax+Bu{}_c$

其中:

$\begin{array}{l}\mathit{A}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& J{}_{1}G{}^{{\rm T}}\phi {}^{{\rm T}}({\rm K}+DF)\phi & 0& J{}_{1}G{}^{{\rm T}}\phi {}^{{\rm T}}(C+DF)\phi \\ 0& -J{}_{2}J\phi {}^{{\rm T}}({\rm K}+DF)\phi & 0& -J{}_{2}J\phi {}^{{\rm T}}(C+DF)\phi \end{array}\right]\\ \mathit{B}=\left[\begin{array}{l}0\\ 0\\ J{}_1\\ -J{}_{2}G\end{array}\right]\end{array}$

采用如下的趋近率

$\dot{s}=-k\text{s}\text{a}\text{t}(s)$

则滑模变结构控制律为$u=-G{}^{{\rm T}}\phi {}^{{\rm T}}({\rm K}+DF)\phi q-G{}^{{\rm T}}\phi {}^{{\rm T}}(C+DF)\phi \dot{q}-(J-G{}^{{\rm T}}G)(f\dot{e}{}_{\theta }+k\text{s}\text{a}\text{t}(s))$。

由图6可以看出, SMA驱动器能够快速抑制帆板的小幅度的弹性振动, 改善系统的性能, 实现大角度机动。

5 结论

在航天器的机动过程中, 通过滑模变结构控制策略以及SMA驱动器, 迅速抑制挠性附件因机动而激发的振动以及在机动末端不产生大超调, 从而保持机动过程平稳, 并迅速实现高精度姿态定位, 改善系统的性能。

参考文献

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[4]刘建涛.应用形状记忆合金 (SMA) 的主动结构控制研究[D].天津:天津大学.

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激浪!击浪!——帆船和帆板 篇2

水手必知:

1、对帆船帆板的初学者而言, 首先要学的是观察和领悟自然, 培养对海洋的风流水流以及它们之间变化的高度敏感性。通过观察风向、天气、波浪、水流以及与岸的距离等环境因素, 预测周围的变化, 从而可以在各种不同环境里自信地航行。

2、竞赛型的帆船纯以风为动力, 外观看起来不一样, 实际上都是由船体、桅杆、帆杆、稳向板、索具、舵、帆这7个部件组成。

3、帆板初习者应学会向前看, 手臂伸展, 风力加大时蹲下一些, 始终保持在中心线上, 始终看着你要去的方向——你的头转向哪里, 你的身体也会随之转向哪里。

扬帆学做“风之子”

小帆船和帆板, 都是以风为动力的水上运动。虽然不如大帆船来得瞩目和矜贵, 不过在海上休闲运动中相当受欢迎。

海南省帆船帆板运动协会办公室主任戴军介绍, 这是与风抗争的航海乐趣, 我们可以从容易入门的小帆船和帆板运动中体验, 一个“水手”就可以开启一次小航行。

想要顺利地御风而行, 水手必须要知道风向的变化。风向的专业描述, 可以用东、南、西、北的地理位置来描述, 或者通过罗盘的度数来描述, 例如0°、90°、180°、270°等。如果没有罗盘, 海上靠方向感是不靠谱的, 我们要如何知道风是从哪个方向吹来的呢?海口帆船帆板训练基地的教练教了我们几个简易的方法:可以自己转一圈, 用脸、手、脖子感觉一下风的方向;或朝水面看, 观察波浪、波纹, 风向通常是与波纹垂直的, 还可以环顾岸边, 观察旗帜、烟火、树木、风向线。要注意的是, 不要被其它快速行驶船只上的旗帜所迷惑, 它们旗帜的方向不能表明真实的风向。

当风平稳地从帆的迎风面和背风面顺利流动时, 帆船可以获得最大的动力。与此相反, 帆船则会失去动力并且减速。为了获得最大动力, 我们要保持帆与风处于最佳的角度。有两种方式可供选择:一是通过帆船索具调整帆与风之间的角度;二是通过帆船航向调整帆与风之间的角度。当所有这些力处于平衡时, 帆船将沿直线前进。如果不平衡, 帆船将转向。第一次航行的人可能大部分时间都横着风行驶, 即风从帆船的一边吹来, 这对初学者来说是最简单的航行方式, 熟练之后可以尝试用各种方式来使帆船转向、停止、启动, 并学习使用舵角指示器。

小帆船, 少年派式漂流

专业的帆船运动装备很多, 包括造价不菲的帆船、专用服装, “导航”设备等, 而且还需要长期训练和比较高的专业技术, 它一直被视为贵族运动的一种, 受成功人士所青睐。

一部帆船动辄上百万千万, 船和驾驶人需要考取专业驾驶照才能开动, 普通市民要何时才能涉猎?现在海边休闲设施中就有双体小帆船供我们“试水”。

据介绍, 训练基地提供给初学者的是海滩双体船, 帆船有两个船体, 两个船体由横梁连接, 在船体和横梁之间用网状的弹簧床作一个半硬式的平台, 最多只能坐3-4个人。船体多, 在同样的风力条件下, 速度也比较快, 而且船体下都有一个功能与龙骨相似的固定艉鳍, 稳定性良好, 很少会出现侧翻。

入门操作很简单, 除了之前提到的看风向、用风力, 就是松紧风帆以及掌舵, 风浪不大的时候, 像驾驶小游船一样的轻松。安静有安静的玩法, 乘着海风漂流出去, 钓钓鱼, 喝茶聊天晒太阳;刺激有刺激的玩法, 可以大玩“亲水游戏”——让船体稍微倾斜, 用身体往船外靠以保持平衡, 一只脚塞进船上的固定套里, 进一步保持平衡, 靠前的手抓住帆索, 另一只手则用来掌舵, 浪打过来, 你迎上去。

帆板, 一个水手的航行

帆板其实也属于帆船运动中的一种, 不过没有小帆船的稳定, 又没有冲浪的刺激, 动静状态介乎于两者之间。

因为它和冲浪运动有密切关系, 所以又叫做风力冲浪板或滑浪风帆。冲浪板的动力来自涌浪, 受场地条件所限, 比传统帆船出现迟很多的帆板, 正好弥补了冲浪受场地所限的不足。帆板运动在欧美国家普及得很快, 运动员站在板上, 用双手抓住帆杆操纵, 便能在无际的大洋中航行上百海里, 并能达到每小时50多公里的惊人速度, 令人对这个“迷你帆船”另眼相看。

帆板器材简单轻便, 国际统一型号的密斯特拉级帆板全套重量20公斤以下, 比赛会在大风大浪的海面上进行, 但实际上在有风的水面上就能玩, 包括内陆的江河湖泊中。帆板由带有稳向板的板体、有万向节的桅杆、帆和帆杆组成, 没有舵, 只有尾鳍和稳向板, 水手只有一个, 他得利用吹到帆上的自然风力, 站在滑板上操纵帆杆, 使阀板产生速度在水面上行驶, 靠改变帆的受风中心和板体的重心位置在水上转向。因为全程要站着操控, 体力消耗比小帆船更大。

对于初学者, 教练会在下海前进行陆上教学, 感觉帆板的各个部分, 教我们在保持中心线上以及拉起风帆的动作, 找好“安全点”和“平衡点”。简单教学之后, 教练就会带你到海边“试水”。上板, 握紧帆绳, 确认风的方向, 把帆从水中拉起, 伸手够到桅杆并用双手抓住低于横梁的位置, 这是“安全点”。你的膝盖要弯曲, 手臂伸展, 帆垂向顺风方向并远离身体, 同时你要目视前进方向, 把肩膀朝着前进方向, 伸展前臂把帆从身体前拉过来, 到达“平衡点”。然后调整动作, 双手在横梁上, 恭喜你, 这就进入了“航行位置”。

可以在风中航行的基础上, 开始对航向做一些小的调整, 例如把板头转向风吹来的方向被称作“转向逆风”, 把板头转向背离风的方向被称作“转向顺风”。跟学骑单车感觉相似, 当你专注看着前方的时候, 教练已经不知不觉离开, 意味着你可以开始独立的旅程。

帆船安全守则:

●穿上救生衣等助浮装备;热天要穿透气性强的衣服, 如不是大热天, 还应穿普通衣服或保暖潜水衣。

●热身运动很重要, 特别是柔韧性练习。为防止脱水, 建议在出海前和航行时饮用大量的水。

●黄昏、晚上或能见度低时不要玩帆板。如风从岸吹向海面, 不要出海。原因是陆地和建筑物挡风, 出海后发觉风势猛烈, 想安全回岸可能为时已晚。开始感到疲倦或天气转坏, 须趁早划回岸边。

●水域附近有救援人员和设施。

●准备一根拖索, 必要时可让人拖回岸上。把索具绑在冲浪板上, 这样就算桅脚松脱, 也丢不了。如掉进水里, 一定要游向帆板。

●遇到紧急情况时, 波浪声、风声和转舵声会令海上的通信非常困难。在噪音环境中, 应该会使用手语。最常用的基本信号是:“安全位置”、“靠近点”、“减速”、“展帆”、“收帆”、“我需要帮助”、“我很好”等。

帆板控制系统设计 篇3

1 系统方案设计

根据设计要求,帆板控制系统方框图如图1所示。系统主要由风扇电机驱动LM298、角度检测、电机转速检测、按键、LCD显示、风扇、电源 和主控制 器Atmega128组成。

2 系统硬件设计

系统实物如图2所示。

2.1 风扇电机驱动模块

风扇直流电机驱动模块可以采用L293和专用电机驱动芯片L298N,通过单片机产生不同占空比的PWM信号驱动电机驱动芯片控制风扇的转速,使帆板产生不同的旋转角度并用LCD液晶和上位机实时显示,由于L293在实际测量中刚工作发热量太大,不利于电路的稳定性和可靠性。L298N最大工作电流可以达到3A,持续工作电流为2A完全满足实际需要。因此选择L298N作为电动机驱动芯片。

2.2 角度测量模块

角度测量采用高精度角度传感器WDD35D4,通过AVR ATmega128单片机其自带的10位A/D转换,将采样到的电压信号进行数字平均滤波算法分析,转换输出帆板偏转的角度。

2.3 按键和显示模块

通过按键用来控制和设定帆板所要达到的角度,由于设计所要显示的数据太多如果用数码管显示便会占用太多的I/O口,因此本设计采用LCD 1602液晶进行实时显示。

2.4 帆板制作

帆板机械模块采用铝合金材料制成支架。热缩管将帆板固定粘接在转轴上,其转轴上固定的帆板由纸板裁剪而成,角度传感器安装固定在支架上并将角度传感器装置的与转轴同轴。如图2所示。

2.5 风扇电机转速检测

风扇电机转速通过装在风扇上的霍尔元件进行检测,采用A44E.A44E开关型的霍尔器件,其工作电压范围比较宽(4.5~18V),其输出的信号符合TTL电平标准,可以直接接到单片机的IO端口上,而且其最高检测频率可达到1MHz。

2.6 电源模块

由于直流风扇电机功率为28.8W,因此需要大功率变压器输出足够大的电流(2.4A左右),因此选用DC-DC降压芯片LM2596-5输出 +5V驱动L298N芯片,采用LM2596-ADJ调节输出大于等于12V小于16V的电压给直流风扇电机供电。

2.7 RS232 通信和上位机监控模块

单片机将设定帆板角度、检测到的帆板角度、电机转速、PWM占空比通过串行口送到上位机进行实时显示。

3 理论分析与计算

3.1 风扇控制电路

风扇电机驱动采用LM298N芯片控制。该芯片是专用的电机驱动芯片。其内部含有H桥的高电压、大电流全桥驱动器,可以用来驱动直流电机和步进电机,采用标准逻辑电平控制,具有两个使能控制端,在不受输入信号影响下允许或禁止器件有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作。芯片最大工作电流2.5A,额定功率25W。电机驱动原理图如图3所示。

电路需要两路电源输入 :芯片电源和电机电源。PWM信号通过P1的1、2端口输入,通过单片机控制P1的第三端(使能端)。PW M信号控制L M 298N芯片输出两路信号控制电动机的转动。图中二极管主要起到续流作用,采用一般整流二极管1N4007。同时我们又在电机的电枢两端并联一个瓷片电容104,以稳定电机的电压不致对单片机造成干扰。实际效果不错,省掉了通过光耦隔离,实现单片机输出信号与电机驱动隔离的环节。与LM298N具有相同 功能的L293芯片也可以驱动电动机,但是L293的工作电流与LM298N比较较小,输出功率也不如LM298N并且发热量太大。经过实际应用验证,LM298N电机驱动该方案可靠、可行。

3.2 角度测量原理

角度测量采用高精度角度传感器WDD35D4实时检测,此传感器根据电位器原理设计,其具有机械寿命长、分辨率高,转动顺滑、动态噪声小的性能并且该传感器不需要外围电路,使用方便。实际角度测量原理 :帆板偏转的角度通过传感器WDD35D4转换输出电压信号,该电压信号通过AVR Atmega128单片机内部A/D采样,编程转换对应角度值并用液晶和上位机显示,实际测量中测量角度值与实际角度值的绝对误差稳定在 <=3° , 完全满足题目要求的 <=5°。经过实际验证,该传感器应用简单方案可行。

3.3 角度 A/D 采样数字滤波算法

角度控制算法采用数字平均滤波算法。引入数据滤波处理算法后,使许多原来靠硬件电路难以实现的信号处理问题得以解决,从而克服和弥补了包括传感器在内的各个测量环节中硬件本身的缺陷和弱点。引入数字滤波算法有以下作用 :克服随机误差、消除系统误差。当角度传感器旋转时,采用数字滤波算法来克服低频振动现象。其原理是由单片机的A/D端口对角度值多次采样,去除最大值和最小值,然后对剩余的值取平均值,即可得到比较稳定的角度值。在实际编程过程中采用了数字滤波算法,由单片机的A/D端口对角度值分5组反复采样25次,每一组去除最大值、最小值,剩余取平均值。将5组的平均值再除去最大值和最小值,再次求平均值,得到的便是稳定的角度值。如图6所示。

4 电路与程序设计

4.1由于在设计系统时采用的是AVR Atmega128最小系统板所以只需要外扩按键和显示电路即可。按键和显示如图4所示。

4.2 风扇功率电路设计计算

风扇控制电路主要是LM298N模块驱动风扇的电动机,要使风扇在10CM处使帆板可靠地达到60°,直流电风扇必须有足够的输出功率。经过多次选择和试验发现,如果电源的功率不够怎不能很好的驱动直流风扇进而无法达到题目所要求的60°,因此对于风扇的控制电路电源的功率必须足够。经过试验采用了电源输出大约30W,对直流电机需要12V供电,然而电源电压经过LM298N电压下降大约2V,所以电源电压为12+2=14V,直流风扇的输出电流达要达到2A、电压12V时可以使系统达到题目的要求。

4.3 PWM 控制算法设计与实现

角度传感器实时检测帆板角度变化和输出相应的电压值,经过A/D采样转换和数字滤波后,在液晶上进行显示。单片机输出不同占空比的PWM信号,可以得到帆板的不同的角度。先将实验得到的帆板旋转角度实时取样到单片机,将这些值预存入单片机ROM区,当帆板处在当前角度条件时,按键输入新的设定值,这时单片机计算PWM波的差值。单片机将输出单片机根据差值大小,每次步进增减不同的PWM值,当帆板的角度接近于目标角度时步进增减的PWM值最小为1。

4.4 程序设计流程图

4.4.1 主程序流程图

主程序流程图如图5所示。

4.4.2 数字滤波算法流程图

数字滤波算法如图6所示。

5 测试数据

测试数据如表1所列。

通过以上表格中可以看出,在距离帆板不同距离时实际测得的度数与角度传感器测得显示的度数,绝对误差稳定在3°以内,完全满足设计的要求。

6 结论

帆板控制系统设计,充分利用AVR Atmega128内部的8路10位A/D和两路8位PWM分别采样角度传感器的输出电压信号和控制风扇电动机的转速进而达到实时转换显示和改变帆板的角度,达到设计要求。

摘要：帆板控制系统采用ATMEGA128作为系统的主控芯片,用高精度角度传感器WDD35D4实时检测帆板偏转角度,送到AT MEG A 128集成的10位A/D进行转换,经数字平均滤波算法处理,最后通过数字PID算法调节PWM占空比,控制L298输出功率来调节风扇的风速大小,在5秒内使帆板的实际偏转角度与给定角度一致。并用LCD1602液晶和上位机实时显示设定角度、测量的角度、PWM占空比和电机转速。

帆板控制系统的设计 篇4

采系统由调节控制系统、键盘控制模块、显示模块、风扇控制模块、角度检测模块、声光提示模块组成, 框图为下图1-1所示:

通过单片机定时器产生PWM, 利用PWM控制电机转速, 从而控制风扇的风力, 通过风力吹动帆板转动, 使帆板达到一定的角度, 当达到指定的角度时声光进行提示;通过按键设定角度, 利用单片机内部A/D采集电位器上的电压值, 来确定帆板偏转的角度, 软件设计上采用分段逼近式的控制算法, 使帆板快速的达到设定的角度。

二、系统硬件设计

1.风扇驱动电路

风扇采用的是LM298驱动电路。当使能端为高电平时, 两个控制引角接入相反的电平, 此时电机正转或反转;用单片机定时器产生PWM, 接到LM298的使能端, 从而控制电机转动, 通过调节PWM的占空比来调节直流电机的转速, 达到控制风速, LM298的驱动电路为下图2-1:

输出电压值平均值为:U0=1/T0∫tƒ (t) dt, f (t) =1时, 输出电压值与PWM成线性关系。

2.键盘控制电路

采用独立的键盘, 单片机I/O口通过判断高低电平, 来实现控制输出, 电路图2-2:

3.角度检测电路

角度检测电路是利用精密电位器, 采用图2-4所示框图来检测帆板偏转的角度。

电位器的轴与帆板的轴在同一条直线上, 帆板的角度ϕ与电位器的电阻值成线性关系, 即角度ϕ与电位器的电压U成线性关系, 关系为:ϕ=KU (K为常量)

4.声光提示电路

当帆板的角度到达45°时, 蜂鸣器发声、LED灯亮, 电路图为2-5所示:

三、软件设计

将系统分为三个功能, 利用按键去选择三个功能, 实现该系统的各种控制, 通过主程序去选择不同的功能, 当帆板角度发生改变时, 利用角度与电压值成线性关系, 算出角度值。采用分段逼近式的控制算法, 当实际值与设定值偏差较大时, 以较大幅度步进, 当实际值逐渐靠近设定值, 步进幅度逐渐减小, 从而使帆板以较快速度接近设定值

四、

系统总电路图 (如系统总电路图)

五、结束语

此设计能够实现对帆板的控制, 能够通过按键调整PWM, 来调节电机的转动, 实现了用按键控制帆板的偏转, 同时还能够利用无阻尼精密电位器来控制帆板偏转, 并且根据线性关系, 判断出角度偏转值, 还能够利用按键进行设定帆板偏转角度。

参考文献

[1]谢宣仁.单片机实用技术问答[M].人民邮电出版社.2003.6.

[2]余永权.单片机应用系统设计技术基础C语言编程[M].电子工业出版社.2004.6.

[3]郭天祥.单片机C语言教程.电子工业出版社.2004.6.

帆板控制系统的设计与制作 篇5

本系统以STC单片机控制电路为核心,基于PID控制方法,采用PWM脉冲调宽的方式对直流电机进行调控,根据角度传感器反馈回来的信号实现可靠的闭环控制,自动、稳定、精确地控制帆板的倾斜角度,最大绝对误差小于5°,并通过液晶显示器SMC12864实时显示转角θ,帆板控制系统方框图如图1所示。

硬件电路设计

依据设计方案,介绍主要模块。

1.MCU模块。本系统采用的MCU是深圳宏晶科技公司的STC12C5A60S2单片机,电源电压(5.5～3.3V),片内含60kb的可反复擦写的只读存储器,8通道10位AD转换器,速度可达25万次/秒。其中,P1口作为普通I/O口使用,也是片内8路AD转换器的输入端口,本系统将单片机的P1.0口与角度传感器输出端连接,检测帆板转动角度值。片内还有两路PWM脉冲调宽控制器,分别由P1.3、P1.4输出PWM脉冲调宽信号,本系统将单片机的P1.3口与L298驱动器的5脚(使能端EN1)连接,调整PWM脉冲调宽信号占空比,实现电机转速控制。

2.电源模块。开关电源有很多优点,如输入电压范围宽、输出电压平稳等,所以系统采用购置的开关电源,分别输出5V和+12V两路电压:5V提供给单片机及显示电路;+12V电源提供给L298驱动电路。

3.显示器、键盘模块。液晶显示器具有显示内容丰富且使用方便等优点,本设计选用SMC12864通用液晶显示器,将液晶显示器的数据端口(DB0～DB7)与单片机的P0口并行连接,显示器配合程序设置,分别进行角度测量值、角度设定值、“自动控制状态”、“手动控制状态”等参量显示。采用5只独立式按键作为手动控制键、自动控制键、设置键、增加键和减少键等,分别接单片机的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6口。具体操作是:当按下手动控制键进入手动控制状态,操作增加键或减少键控制帆板转动角度增加或减少,并实时显示帆板转角值;当按下自动控制键切换到自动控制状态,按下设置键进入角度设置状态,按增加键或减少键设定任意一个角度值,再按下设置键回到自动控制状态,系统按照PID控制规律自动调整帆板转动角度值,实现自动控制。

4.电机驱动模块。L298D电机驱动器额定电流达2A,选用L298D驱动模块驱动直流电机能够带动风扇正常工作,通过单片机输出的PWM脉冲调宽信号控制L298D,驱动电机实现风扇转速控制,帆板控制系统电路图如图2所示。

系统软件设计

系统软件概述,流程图如图3～5所示,流程图主要包括:主程序、显示子程序、键盘扫描子程序、AD数据采集子程序、PWM及PID控制子程序等部分,全部程序代码采用C语言编写。

制作过程

1.安装底座。

根据电路主控板、风扇、滑道等各部分尺寸大小选择合适的底板,采用坚固的树脂材料板,长宽50cm×30cm,厚度2.5mm。然后用手电钻将底板钻若干个孔,孔径φ4mm,用φ3mm螺丝杆将底板与电路主控板、帆板支架、滑道等各部分连接、固定,并在底板右上端贴有标签纸(标注7cm、10cm、15cm位置),用于指示帆板和风扇口之间的距离(见图6),便于测试。

2.安装帆板、支架和角度传感器。

帆板采用厚度为3.5mm的薄纸板,剪切成长宽为15cm×10cm大小,采用直径为4mm的铁条作为帆板的转动轴,用薄铁片包住转动轴,薄铁片两端紧紧地夹住帆板,使转动轴与帆板固定连接,金属转动轴一端插入角度传感器卡槽内,卡槽外侧用螺丝固定转轴,再将角度传感器固定在左侧金属支架上。右侧金属支架需要打孔,孔径约φ1cm,用于穿过金属转动轴,在右侧支架外侧固定帆板转角刻度盘,将指针与转动轴连接、固定,最后将金属支架固定在底板上(见图7、图8)。

3.制作主控板

主控制板采用自制的单面板,包括显示电路、键盘电路、单片机及电机驱动电路等,PCB板图及实物如图9、10所示。

4.安装风扇、开关电源

为了便于测试、操作,将风扇安装在金属滑到中,使风扇前后移动更加灵活,风扇的前端向上仰角约30°左右,可以充分利用风扇风力吹动帆板。开关电源安装在底板左下角部位,用φ3螺丝将电源四角固定(见图11～图13)。

系统调试

系统调试主要包括部分:调整零点、调整量程、刻度线性处理、电机驱动电路调整等等。

1.调整零点。首先调整机械零点,即当帆板转角为0°时,刻度盘指针应指到0°,否则转动指针位置进行机械零点调整。

其次调整电气零点,即当帆板转角为0°时,角度传感器输出某个模拟电压值,经过单片机内部AD转换为数字量,再经标度变换,通过液晶显示器显示为0°,否则调整标度变换系数进行电气零点调整。

2.调整量程。按手动操作键进入手动操作状态,再按增加键控制风扇转动到最大角度值,通过侧面刻度盘读取该最大刻度值,同时观察显示器显示角度传感器反馈的帆板转角测量信号,即数字量显示值(二进制数),并记录最大转动角度所对应的数字量大小,该数字量经过标度变换就得到测量角度的最大值,即量程值。

3.线性刻度调整。由于角度传感器输入与输出特性线性较好,即帆板转角θ与输出电压成正比,输出电压经单片机内部AD转换器转变成数字量,通过直线方程得到帆板转角θ与数字量值之间对应关系,帆板转角θ值通过显示器显示,完成标度变换。

4.电机驱动电路调整。在设计电机驱动电路初期,使用L293芯片发现不能满足设计要求,即当单片机发出的PWM信号占空比由最大值逐渐减少,风扇的转动速度也由最大值逐渐降低,当风扇转速减少到某个中间值时,PWM控制信号占空比若再减少,电机转速则突然降低到最小值,无法实现风力的连续控制,经过试验将驱动器L293更换成L298问题就解决了。分析原因,L293工作电流为1A,L298工作电流达到2A,经过测试一个标称400W的吹风机其内部直流电机的额定工作电流超过1A。

本设计作品帆板的最大转动角度达68°,角度测量误差为1°,偏差为2°,即角度设定值与测量值之间的差值。设计基本完成了赛题要求的全部内容,需要改进的是,控制精度需要进一步提高,系统的设计方案需要进行完善、提高。