一种风力摆系统的设计

唐晨光

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

1 总体设计方案

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BTN796IB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且有低至16mQ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BTN796IB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400kHz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.Ov或3.3V（±5%）的供电电压，10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4X4X0.9mm（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—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0.5mA500/lmin。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 电源电设计

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

3.2 电机驱动电路设计

在这个模块设计时，本文采用BTN796IB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16mQ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-lkQ，则Vis=lload/8.5；在故障条件下，从Is引脚流出的电流等于IIS （lim）（约4.5mA），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。

（l）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。