电赛论文-风力摆控制系统

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1、2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）2015年8月15日II摘要该设计采用STM32F103VCT6芯片为风力摆控制核心，实行模块化设计，由控制系统模块、电机驱动模块、角度传感器模块、电源模块等模块组成。通过四元数法对MPU6050回传数据进行处理，并通过闭环PID算法控制轴流风机转动以控制风力摆运动。实现了风力摆15s内做可控幅度及方向的摆动并用激光笔在地上画出稳定直线，风力摆在一定角度放开后快速静止，风力摆可做可控半径的圆周运动，并在受外力干扰后快速恢复运动。经测试，该设计系统性能良好，所有基本要求都已达到，部分指标或超出题目发挥部分

2、要求。关键词：风力摆；模块化；MPU6050；PID算法II目录一、系统方案11、电机驱动的论证与选择12、角度传感器的论证与选择13、控制系统的论证与选择1二、系统理论分析与计算21、风力摆状态的分析22、四元数与姿态的计算2（1）四元数2（2）四元数与旋转23、PID的计算4三、电路与程序设计41、电路的设计4（1）系统总体框图4（2）电机驱动模块框图与电路原理图4（3）角度传感器模块框图与电路原理图52、程序的设计6（1）程序功能描述与设计思路6（2）程序流程图6四、测试方案与测试结果61、测试仪器62、功能测试6（1）测试过程6（2）测试结果（数据

3、）73、测试结论与分析7五、结论与心得7六、参考文献7附录1：原理图8附录2：测试数据9II风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案本系统主要由控制系统模块、电机驱动模块、角度传感器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1、电机驱动的论证与选择方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对轴流风机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案二：以N沟道增强型场效应管为核心，基于H桥PWM控制的驱动控制电路，对直流电机的正反转控制及速度的调节具有良好的工作性能

4、。并且直流电机控制电路的运行稳定可靠，电机调节响应速度快，满足大功率直流电机的驱动控制，结构简单、驱动力强、功耗低。综合以上二种方案，选择方案二。2、角度传感器的论证与选择方案一：采用WDD35D5角度传感器。其原理相当于可调电位器，根据风力摆倾斜角度产生相应的阻值，通过AD转换处理后从而算出相应的角度，但是该方案需要AD转换、不易放置、仅能直接得到角度等问题。方案二：采用MPU-6050加速度陀螺仪。该模块整合了3轴陀螺仪和3轴加速度器，输出六轴旋转矩阵、四元数、Euler角的融合演算数据，通过处理后可检测到风力摆倾斜角度及其加速度，以便于对摆杆的控制。

5、综合以上二种方案，选择方案二。3、控制系统的论证与选择方案一：采用STC89C52单片机作为主控芯片，STC89C52单片机是STC89C51单片机的增强板，是STC公司生产的一种低功耗、高性能8位微控制器，具有8k可编程Flash存储器，总共有32 位I/O 口线， 3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，全双工串行口等资源。虽然最小系统简单，编程较易，但是工作频率过低无法满足该设计的高速运算要求。方案二：采用STM32F103VCT6作为主控芯片，STM32系列单片机是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3

6、内核。它具有512K 片内FLASH,64K片内RAM ,片内FLASH 支持在线编程(IAP)，多达80个IO(大部分兼容5V逻辑),4个通用定时器,2个高级定时器,2个基本定时器,3路SPI接口,2路I2S 9接口,2路I2C接口,5路USART等丰富的资源，较高的工作频率可满足该设计所需的高速运算及数据处理。综合以上二种方案，选择方案二。二、系统理论分析与计算1、风力摆状态的分析从陀螺仪DMP直接读出四元数，然后计算出欧拉角，最后通过欧拉角确定陀螺仪的姿态。通过风摆姿态变化可以分析出风摆实时的位置还有速度信息，再由主控系统通过PID算法分析后控制轴流

7、风机转动控制风力摆运动。2、四元数与姿态的计算（1）四元数四元数是简单的超复数。复数是由实数加上虚数单位i组成，其中i^2=-1。相似地，四元数都是由实数加上三个虚数单位i、j、k组成，而且它们有如下的关系：i^2=j^2=k^2=-1，i^0=j^0=k^0=1,每个四元数都是1、i、j和k的线性组合，即是四元数一般可表示为a+bk+cj+di，其中a、b、c、d是实数。对于i、j、k本身的几何意义可以理解为一种旋转，其中i旋转代表X轴与Y轴相交平面中X轴正向向Y轴正向的旋转，j旋转代表Z轴与X轴相交平面中Z轴正向向X轴正向的旋转，k旋转代表Y轴与Z轴相

8、交平面中Y轴正向向Z轴正向的旋转，-i、-j、-k分别代表i、j、