張超洋++程翔++文良華++程曉洪++鄧青++李勇

摘要：該文設計了一種基于瑞薩單片機控制的微型風力擺系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于微機電MEMS的重力加速度陀螺儀MPU6050采集風力擺姿態(tài)數(shù)據，通過IIC總線將數(shù)據實時傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器瑞薩R5F100LGA單片機；經相應的控制算法處理后產生多路PWM信號驅動風力擺執(zhí)行機構的軸流風機，完成風力擺運動的閉環(huán)控制。系統(tǒng)控制器實現(xiàn)了運動矢量分解和合成算法，采用PID控制器完成對風力擺運動軌跡的精確控制和姿態(tài)調整。此外系統(tǒng)采用了LCD液晶屏和矩陣鍵盤作為人機接口，實現(xiàn)風力擺系統(tǒng)控制參數(shù)的人機交互。此風力擺實現(xiàn)擺桿的快速起擺、直線擺動，并在此基礎上具有擺幅可設、擺向可控、擺速制動、擺桿畫圓和系統(tǒng)抗外界干擾等功能。

關鍵詞：瑞薩單片機；風力擺；PID算法；MPU6050；矢量分解與合成

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）04-0253-05

The System Design of Wind Pendulum Based on Renesas MCU

ZHANG Chao-yang，CHENG Xiang ，WEN Liang-hua， CHENG Xiao-hong， DENG Qing，LI Yong

（School of Physics and Electronic Engineering， Yibin University， Yibin 644007， China）

Abstract： In this paper， we design a micro wind pendulum based on MCU control system. The system uses MPU6050 based on micro electro mechanical MEMS to collect the attitude data of the wind pendulum，and through the IIC bus make real-time data transmission to the system controller Rui R5F100LGA MCU. After the corresponding control algorithm is processed， the multi channel PWM signal is used to drive the axial fan of the wind pendulum actuator to complete the closed-loop control of the wind pendulum motion. The system controller realizes the motion vector decomposition and synthesis algorithm， and uses the PID controller to achieve the precise control and attitude adjustment. In addition， the system uses the LCD screen and the matrix keyboard as the man-machine interface to realize the man-machine interaction. The wind swing realize the rapid and the pendulum swinging rod ，linear oscillation， and On this basis， there are a lot of expanding function.

Key words： Renesas MCU；Wind pendulum； PID algorithm； MPU6050；Vector decomposition and synthesis

1 概述

自然界的風力作為能源利用可以追溯到遠古的灌溉的風車，而作為現(xiàn)代能源的風力發(fā)電更被視為清潔和可再生綠色能源；因此風力的測量和運動控制為風力的利用獲得工程數(shù)據尤為重要，本文設計了一種基于單片機的風力擺控制系統(tǒng)。風力擺控制系統(tǒng)是基于風力來控制物體運動的測控系統(tǒng)，它在原有的基礎控制類型中加入新型控制力量風，利用幾個流風機組合成風力擺，利用流風機轉動帶動扇葉形成風，利用空氣的流動性和作用力與反作用力定律實現(xiàn)運動[1]。風能將應用很多領域內，未來一段時間發(fā)展前景較好，研究風力擺運動控制系統(tǒng)對風力在自動控制中有一定的參考價值。

2 系統(tǒng)設計

風力擺系統(tǒng)主要包括R5F100LGA單片機控制模塊、電源模塊、姿態(tài)采集模塊、軸流風機驅動模塊、液晶顯示模塊、矩陣鍵盤模塊組成和風力擺機械結構；由萬向節(jié)連接鋁桿，鋁桿再連接直流風機從而組成風力擺主要結構。系統(tǒng)由陀螺儀MPU6050采集風力擺的三維姿態(tài)，然后由單片機讀出三維姿態(tài)參數(shù)，通過PID控制算法產生PWM控制信號驅動風機產生相應的轉速，從而實現(xiàn)風力擺姿態(tài)調節(jié)的功能。最終通過運動合成得出指定的運動規(guī)律。設置參數(shù)由LCD12864顯示，由矩陣按鍵的設定來調節(jié)參數(shù)以及進行功能的切換。系統(tǒng)的硬件結構總體設計框圖如圖1所示：

3 系統(tǒng)原理

3.1 風力擺狀態(tài)測量的分析

采用高精度的六軸姿態(tài)儀MPU6050實時采集風力擺姿態(tài)數(shù)據，采用400kHz的I2C接口傳輸數(shù)據或采用最高頻率為20MHz的SPI，來實現(xiàn)高速通信。風力擺采用4只軸流直流風機加自帶風葉構成的直流風機作為動力驅動系統(tǒng)。數(shù)據采集模塊采集風力擺的當前姿態(tài)送給單片機，通過單片機處理姿態(tài)數(shù)據后輸出PWM波，并控制其占空比，從而控制電機的轉速來實現(xiàn)對風力擺的控制。

3.2 控制算法與調試方法

該系統(tǒng)采用PID算法來控制電機轉動的速度。風機開始工作后，姿態(tài)采集模塊不斷采集當前風力擺的姿態(tài)，并于上一個姿態(tài)進行比較，使得風力擺的運動狀態(tài)逐漸趨于平穩(wěn)。PID算法中P為風力擺轉動角度比例，I為角度誤差積分，D為角度微分。

常規(guī)PID的數(shù)據輸入e（t）與輸出u（t）之間的關系為：

由于單片機的MUC只能處理數(shù)字信號，所以公式（1）中的積分和微分項不能直接使用，必須進行離散化處理。離散化處理的方法為：以T 作為采樣周期，k 作為采樣序號，則離散采樣時間kT 對應著連續(xù)時間t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作如下近似變換[2-4]：

上式中，為了表示方便，將類似于e（kT）簡化成ek形式就可以得到離散的PID 表達式：

式中：KP，KI，KD分別為比例，積分，微分系統(tǒng)；[kI=kPTI]，[kD=kPTD]，k為采樣序號，k=1，2，…；e（j）為第j次采樣的輸入差值；u（k）為第k次采樣時刻的輸出值，e（k-1）和e（k）分別為第k-1時刻和第k時刻所得的偏差信號。

P（比例調節(jié)）：調節(jié)P的值可提高響應速度，減小系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但是P值太大會增大超調量和系統(tǒng)的穩(wěn)定時間。

I（積分調節(jié)）：在系統(tǒng)中與P的作用相仿，但要將靜態(tài)誤差減小為0，必須調節(jié)I的值。

D（微分調節(jié)）：在系統(tǒng)中與比例、積分的作用恰恰相反，D的調節(jié)主要是為了減小超調，減小系統(tǒng)的穩(wěn)定時間。

3.3功能實現(xiàn)及方法

風力擺畫直線是風力擺只沿一個方向擺動，而在與這個方向垂直的方向上抑制擺動，這樣風力擺便能按一個方向上擺出直線。設計中通過姿態(tài)來控制風力擺，擺動可以看作姿態(tài)出現(xiàn)橫滾，俯仰的角度變換。如果只沿X軸方向擺動，意味著姿態(tài)出現(xiàn)俯仰變化，而在另一方面抑制橫滾的變化。

（1）控制直線的長度，意味著控制擺的幅度，而幅度取決于擺當中的能量。擺的能量包含動能和勢能，而擺的動能更易控制。所以建立一個控制動能的程序，能向擺中增加和減少動能。當擺達到擺幅要求時停止向擺中增加動能，擺會做減幅振動，減幅過多是再向擺中增加動能。這樣擺幅就會控制在一定的幅度范圍內。如圖2所示，當要求風力擺線性起擺時，只需要設置X面兩臺風機的啟停規(guī)律便可以實現(xiàn)，并且通過速度PID調節(jié)Y面兩臺風機，保持風力擺的線性度。當系統(tǒng)要求激光頭畫線距離時，通過Tan X計算出擺桿最大擺角，當X面角度超過最大擺角時，迅速抑制擺桿運動，在此過程中，Y平面保持速度PID的調節(jié)，穩(wěn)定畫線的線性度。

（2）任意角度線性起擺方法分析

風力擺擺動方向的控制可以在擺上建立一個機體坐標系，然后在這個坐標系關于參考水平面取一個方向向量，沿這個向量控制擺動，然后取這個向量的90度，用來抑制擺畫線的非線性。當向量取得后，向量在機體坐標系上表達，它在x軸和y軸上對應的分量決定了施加在對應軸上風機的電壓。再用x，y軸上的電機合成這個向量。這樣就可以產生0～360度的角度的向量，用它控制風力擺擺動的方向。要保持設定的方向起擺，就需要用到矢量的合成原理，如下圖3所示，X平面和Y平面的運動最終合成得到底面的限長畫線軌跡；單片機通過預先設置的角度和MPU6050實時測控角度進行PID運算得到PWM調節(jié)量，可以控制PWMx與PWMy的關系（按比例合成），得到正確的運動姿態(tài)。

（3）風力擺畫圓方法分析

風力擺畫圓可以在地面上建立一個點，用半徑和角度來表示。使用兩個PID，分別控制半徑和角度。首先，半徑是一個定值，但是當擺處于這個半徑的圓的不同位置時，風機需要合成的方向是不同的，具體是從圓心指向當前擺位置的向量?？刂瓢霃绞荘ID的輸出需要乘以這個向量，以使風機正確的合成所需的力。為了控制擺沿圓運動，在圓上設一個點，它所構成的向量與擺當前位置所構成的向量的夾角利用PID來控制。最終擺將指向這個點。然后讓這個點沿圓移動，這樣擺也跟沿圓移動，實現(xiàn)畫圓。

如圖4所示，要想在平面內畫出圓形，必須算出X平面運動和Y平面運動的相互關系，由圓弧公式可以推導出PWMx與PWMy的關系呈圓弧關系，通過對PWMx求PWMy，就可以解出平面圓弧當前點的切向量。

（4）調節(jié)風力擺靜止

要在風力擺被拉起一定角度后迅速回歸靜止狀態(tài)，需要在擺的勢能轉換中施加方向作用力；即在風力擺主動運動過程中，通過陀螺儀進行姿態(tài)解讀，在X平面和Y平面上施加對應的反作用力，便可以使得風力擺快速回到靜止的狀態(tài)。

4 系統(tǒng)硬件設計

4.1硬件系統(tǒng)模塊之一

單片機最小系統(tǒng)采用瑞薩R5F100LGA單片機作為控制器，其內部產生4路PWM方波調節(jié)驅動輸出電壓，從而控制軸流風機轉速，并能采集陀螺儀的數(shù)據，完成對風力擺三維角度的PID控制[5-7]。單片機最小系統(tǒng)如圖5所示：

4.2硬件系統(tǒng)模塊之二

直流風機驅動電路圖如圖6所示，由于本系統(tǒng)軸流風機功率較大，普通三極管電路難以驅動風機調速，所以采用大功率MOS管半橋驅動，其驅動功率能很好地滿足風機大范圍調速需求，電路采用IR21094芯片作為MOS管的驅動源。

5 軟件設計（software design ）

系統(tǒng)采用C語言編程實現(xiàn)各項功能，系統(tǒng)程序初始化后進入初始化菜單，然后開始掃描按鍵，不同的按鍵對應的不同的功能，通過按鍵后進入相應的界面，進入對應的界面后設置參數(shù)并發(fā)送設置的數(shù)據到風力擺姿態(tài)數(shù)據采集與處理系統(tǒng)中，發(fā)送完數(shù)據后由MCU不斷更新參數(shù)，同時采集和處理姿態(tài)數(shù)據。主程序流程圖如圖7所示：

6 測試方案與結果

6.1功能測試（一）

（1）測試前保持靜止狀態(tài)，風擺在15s內必須自由直線擺動起來且使激光筆穩(wěn)定的在地面畫出一條長度不短于50cm，畫的直線的線性度偏差不大于±2.5cm，畫直線要可重復進行。測試結果如下表1所示：

[測試次數(shù)＼&長度是否大于50cm＼&時間（s）＼&1＼&是＼&5.04＼&2＼&是＼&5.16＼&3＼&是＼&5.31＼&]

（2） 測試前保持靜止狀態(tài)，風擺在15s內必須自由直線擺動起來且使激光筆穩(wěn)定的在地面畫出一條長度30-60cm間可控的直線，畫的直線的線性度偏差不大于±2.5cm，畫直線要可重復進行，測試結果如下表2所示：

[測試次數(shù)＼&設置長（cm）＼&偏差＼&時間（s）＼&3＼&30＼&±0.5＼&5.82＼&3＼&40＼&±0.8＼&7.84＼&3＼&50＼&±0.7＼&9.15＼&3＼&60＼&±0.9＼&9.87＼&]

（3） 風擺畫線的擺動方向可由按鍵設定，設置前風擺保持靜止狀態(tài)，15s 內按照設置的方向（角度）擺動，畫出不短于20cm 的直線段。測試結果如表3所示：

表3 任意角度起擺

[測試次數(shù)＼&設置角度＼&線性偏差（cm）＼&時間（s）＼&3＼&0＼&±0.4＼&5.24＼&3＼&45＼&±0.5＼&5.33＼&3＼&135＼&±0.5＼&5.45＼&]

（4）手動將風擺拉起（30°～45°）放開，系統(tǒng)在5s 內使風力擺制動達到靜止狀態(tài)。測試結果如下表4所示：

[測試次數(shù)＼&拉動角度＼&時間（s）＼&1＼&30＼&4.5＼&2＼&35＼&4.7＼&3＼&45＼&4.0＼&]

6.2功能測試二

（1）風擺靜止時激光筆的所指定的位置光點為圓心，用程序驅動風力擺用激光筆在地面畫圓，系統(tǒng)在30S內要重復實驗3次，且所畫圓的半徑可在15～35cm內可設置，激光筆畫出的圓的軌跡的偏差應落在指定半徑±2.5cm 的圓環(huán)內。測試結果如表5所示：

[測試次數(shù)＼&畫圓半徑（cm）＼&半徑誤差（cm）＼&時間（s）＼&3＼&15＼&±0.7＼&10.27＼&3＼&25＼&±0.8＼&9.46＼&3＼&35＼&±1.0＼&9.53＼&]

（2）在上述實驗完成后繼續(xù)作圓周運動，在離風擺1～2m 距離內用一臺50～60W 的電風扇在水平方向向在畫圓的風擺送風，電風扇吹5s 后停止，風力擺能夠在5s 內恢復（1）規(guī)定的圓周運動，激光筆畫出符合要求的軌跡。測試結果如表6所示：

[測試次數(shù)＼&風扇距離（m）＼&干擾風速度m/s＼&恢復運動時間（s）＼&1＼&1.0＼&2.5＼& 2.12＼&2＼&1.5＼&1.5＼& 2.54＼&3＼&2.0＼&1.2＼& 1.01＼&]

7 結論

系統(tǒng)實現(xiàn)了準確的可設置長度，可設置角度的畫直線功能，且具有較小的線性偏差，可以設置擺動方向，可以迅速制動靜止狀態(tài)。系統(tǒng)能按要求準確的完成可設置半徑的畫圓功能。具有響應迅速，圓的偏差小，抗干擾能力強，此外系統(tǒng)還能完成制動等功能。

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