风力摆的精确控制设计

杜金祥，杜宇轩（.太原工业学院 山西 太原　030008；.四川大学 四川 成都 60065）

风力摆的精确控制设计

杜金祥1，杜宇轩2
（1.太原工业学院 山西 太原030008；2.四川大学 四川 成都 610065）

设计一测控系统，控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动，激光笔在地面画出要求的轨迹。本设计由STM32F4处理器，陀螺仪、OLED显示屏、人机交互系统及万向节结构等组成闭环控制系统。陀螺仪经姿态解算为系统提供PID精确控制风机转速的数据［1］。在驱动方面，采用脉冲宽度调试技术控制大电流驱动芯片BTN7971，能够很好的对直流风机的转速、方向、启停等多种工作状态进行快速、准确控制，达到对激光笔位置的控制。在控制电源方面，采用了LDO线性稳压芯片，电源波纹小，保证系统的稳定运行。本系统实现了风力摆在仅受直流风机为动力控制下快速起摆、画线、恢复静止的功能，并能准确画圆，且受风力影响后能够快速恢复画圆状态，具有很好的鲁棒性。另外，本系统具有良好的人机交互界面，各参数及测试模式可由按键输入并通过液晶显示，操作简单方便。

STM32；直流风机；脉冲宽度调制；PID；人机交互

随着信息技术与控制技术的飞速发展，对运动控制技术的高精度、高要求越来越受到研究人员的重视。本文在芯片的选择上采用了STM32F4处理器进行数据处理，通过采用数字离散PID控制算法对风力摆运动系统调节［2］，使得系统外部的偏差得到了一定的补偿，从而控制了系统的最大偏差，实现了风力摆按预定路径精确运行的基本要求。与此同时，系统中采用了陀螺仪技术，达到了运行的快速性和稳定性。

1　系统总体结构

1.1系统设计结构

本系统以STM32为中心，STM32通过键盘来进行切换功能修改参数，通过接受MPU6050传回的姿态数据，进行闭环控制风机的输出，达到对风力摆的控制，完成指定任务后报警模块提示任务的结束。外部接有OLED显示屏，以便用户去读取重要数据。如图1所示。1.2结构制作

图1　系统硬件结构图

本题目中摆的动力来自直杆下方悬挂的风扇，并且这是唯一动力，因此为了保证在调试过程中其他不确定因素的影响我们把固定摆的架子做的非常牢固，排除了架子的晃动对风力摆的影响。直杆选用了玻纤管，使摆更轻，控制更灵活。

轴流风机我们使用了整体重量很轻但是风力强大的流风机，与普通直流无刷流风机相比大大缩短了完成任务的时间。流风机的固定架是用proe画图，经3D打印机打印而成的，保证了相邻流风机之间互相垂直，且更加轻便。

四个风机，分成两组，每组都由一个正桨风机和一个反桨风机组成，正反浆的配合消除了风机加减速时对摆产生的力矩，从而使系统更加稳定。

2　系统方案论证与选择

2.1主控芯片选择

采用ARM处理器进行数据处理，ARM处理器体积小，容量大，功耗低，处理速度比较快［3］，而且端口比较多，可以处理多个任务。可以嵌入操作系统，在处理程序上给开发者带来了很多的便捷，并是系统有很高的可靠性。综上所述，本设计采用STM32F407作为控制器。

采用低压差线性稳压芯片，其突出优点是具有最低的成本，最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少，通常只有一两个旁路电容。LDO是最好的选择，可达到很高的效率。LDO能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。

综上所述，采用低压差稳压芯片为单片机供电，提高系统电源的质量，系统更加稳定。

2.2驱动芯片选择

采用BTN7971作为驱动，BTN7971内部集成了驱动电路，故可以直接和MCU接口，同时具有电流检测，以及过温、过压、欠压、过流和短路保护等诊断功能。另外，BTN7971还有驱动能力强，加速性能，减速性能好效率高的特点。

2.3电机选择

采用小型直流电机。直流电机转速快，体积小，具有最优越的调速性能［4］，主要表现在调速方便（可无级调速）、运行平稳、噪音低、效率高等方面。

3　硬件电路设计

3.1主控电路设计

设计中，采用ARM公司的32位低功耗处理器STM32F407，其性价比高、配置丰富灵活、低功耗，处理器最高频率可达168 MHz。片外含有串口，IIC，SPI，12位ADC，DAC等资源。调试过程中采用SWD 4线调试，速度可达2 MHz，并且简化了调试电路，

3.2驱动模块设计

设计中采用英飞凌公司的大功率H半桥集成芯片BTN7971，内部带有一个P沟道的高边MOSFET，一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC，P沟道的高边开关省去了电荷泵的需求，减小了EMI。它所供电压为8～45 V，最大电流为50 A，驱动信号PWM频率为1～25 kHz［5］。设计外围电路少，无需外加控制信号驱动电路和电机电流检测电路，可直接连接MCU接口。此外通过74ls04，74ls08对BTN7971进行驱动，简化和驱动部分的程序，只需要一路PWM就可以实现对电机的正反转控制，同时保护MCU因为驱动部分的异常，影响到IO口。H桥中增加的4个肖特基二极管给电机断电时提供回路，进一步提高了驱动的开关速度同时可以防止电机的反激电压击穿开关管。电路如图2所示。

图2　BTN7971驱动

4　系统软件设计

4.1主程序流程图

设计通过按键扫描来控制各个任务的执行与否，并且可以通过按键来选择任务的参数。确认后进行Oled显示，然后开始执行任务，最后达到要求，按键终止，回到键盘按键扫描任务，如图3所示。

4.2风力摆设计理论分析

要画出不同的轨迹，并使轨迹具有较好的稳定性，我们需要通过电机给切线方向的加速度，切线上的加速度更具系统的偏差，实时更正。因此我们需要求出与轨迹相关的锥角（β），和与圆方位角（α）。通过MPU6059传回的姿态数据仰俯角（x），翻转角（y），我们可以计算出系统的另外所需的参数：锥角（β），与圆的方位角（α）。通过推算我们得出：

通过β，α，x，y，这4个参数，通过算法实时更正系统在任意过程中偏差量。

风力摆示意如图4、图5所示。

图3　软件设计流程图

图4　螺旋桨风力摆

图5　电机分布

从图4可以看出，存在等式S=L*tan（β）。由此，可以通过控制锥角的大小来控制S的距离，完成距离的任务；

通过速度的合成，来控制圆方位角α的大小，完成角度的任务；

以仰俯角（x），翻转角（y）作为两个方向的偏差，利用PID进行纠偏，完成5秒静止的任务。

在画圆的任务中，起摆后只提供圆的切向速度，通过切向速度来控制圆半径。再利用规定锥角为目标角度，与实际锥角的差值为偏差，利用PID提高实际圆半径准确度。最后由和速度分解为4个电机的分速度，分别赋给PWM波值。

电机分解算法：

其中，S1～S4为4个电机的分速度 （即PWM波占空比），speed_U为和速度，ang为圆方位角。

4.3控制算法应用

本系统采用PID算法来控制风机转动的速度。采用数字离散PID算法，利用微元化的思想将路径微分为多段短直线处理。

将其离散化之后的形式为：

所以当前需要输出的控制量为：u（k）=ΣΔu。这种PID形式称为位置式PID，特点是每次计算的是控制量的变化量［6］，需要对控制量进行累加。

整定参数可以依靠比例、积分、微分的基本性质，判读趋势图中比例、积分、微分的基本曲线特征，从而对PID参数进行整定。趋势图中需要画出的三条曲线分别是：设定值、被调量、输出量。

PID核心算法：

e（k）=aim-now；//本次偏差量

err_all=err_all+e（k）；//偏差积累量

S_U=P*e（k）+I*err_all+D*（e（k）-e（k-1））//输出量

e（k-1）=e（k）；//偏差赋给上次

5　测试数据

5.1测试数据

以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，设置风力摆画圆半径，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，记录其画二次圆所用时间以及最大偏差距离，重复测试二次。改变圆半径再次测试，重复以上操作两次。测试结果如表 1所示。

5.2数据分析

恢复时间是使用一台 60 W台扇在距离风力摆 1 m距离处向其吹5 s后静止，记录风力摆受干扰后回复画圆状态时间。从数据表看不同半径画圆运行的偏差有微小的变化，从数据表1中取最大偏差看准确度（即测量值与真值的偏移程度）为1.0。最大相对误差是δ=ΔL/L×100％=（35.1-35）/35× 100％=2.86％，控制精确程度极大提高，且恢复时间也大大缩短，达到轨迹标准与运行时间的要求。

表1　画任意圆圈测试结果

6　结　论

测试结果分析发现造成对系统影响的因素：安装导向对摆杆拉力不平衡，电机性能的不完全相同，陀螺仪漂移对系统产生的不稳定影响。

通过编程利用PID控制算法对系统的调节，对系统外部的偏差进行一定的补偿。从测试可以看出，本系统较好的完成了设计的基本要求及最大偏差控制在3％要求。此外系统外部通过键盘输入，OLED实时显示系统的各项指标，有很好的人机交互性。

［1］雷旭升，陶冶．小型无人飞行器风场扰动自适应控制方法［J］．航空学报，2010，31（6）:1171－1176．

［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］刘强，刘晓川，刘玉宝，等．基于最优能量的无人机飞行控制技术研 究［J］．南昌航空大学学报:自然科学版，2013，27 （4）:18－22.

［4］EugeneL，Kevin AW，Robust and adaptive control:with aerospace application［M］．London:Springer-Verlag，2013．

［5］MedanicJV．Control of piece-wise linear systems with piece wiselinear controls［C］//Proceedings of the 2004 American Control Conference．Boston:Amer Automat Control Council，2004:5170－5175.

［6］郑翌，王新民，谢容，等．无人机自驾仪自适应控制系统的设计与仿真［J］．计算机仿真，2013，30（2）:85－88.

Wind pendulum control system design and production

DU Jing-xiang1，DU Yu-xuan2
（1.Taiyuan Institute of Technology，TaiYuan 030008，China；2.Sichuan University，Chendu 610065，China）

Design a measurement and control system，control drive the fan makes wind pendulum movement according to certain rule，laser pen to draw the required path on the ground.This design by STM32F4 micro-processor，gyroscope，OLED display，human-computer interaction system，universal joint structure of closed-loop control system，etc.Gyro attitude algorithm，data for the system to provide the accurate PID control fan speed.In drive，using the pulse width control large current driver chip BTN7971 debugging technology，can very good to dc fan speed，direction and start-stop and other working condition for rapid，accurate control.The brush position control.LOD linear regulator was adopted in the power control chip，the power supply ripple is small，ensure the stable operation of the system.This system has realized the wind in the under the dc fan power control was only fast the pendulum，line drawing，restore the function of static，and accurately draw circle，and affected by the wind can quickly restore circle state，has the very good robustness.In addition，this system has good man-machine interface，the parameters and test mode is the key input and through the liquid crystal display，operation is simple and convenient.

STM32；DC Blower；PWM；PID；human-computer interaction

TN99

A

1674－6236（2016）11-0127-03

2015-09-18稿件编号：201509133

杜金祥（1963—），男，山西沁源人，讲师。研究方向：计算机控制、测量与控制技术。