摘要

本設(shè)計由MC9S12XS128MAL單片機控制模塊、角度檢測模塊、人機交互系統(tǒng)以及風(fēng)力擺機械結(jié)構(gòu)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由BTN7971驅(qū)動12V、1.2A的直流風(fēng)機作為風(fēng)力擺的動力源，MMA7361采集風(fēng)力狀態(tài)角，單片機處理狀態(tài)角數(shù)據(jù)后通過PID調(diào)節(jié)直流風(fēng)機控制風(fēng)力擺，實現(xiàn)在直流風(fēng)機作為動力控制下快速起擺、畫線、恢復(fù)靜止，畫圓的功能。為了使測控系統(tǒng)控制更為精確，在采集數(shù)據(jù)的過程中采用了非線性誤差校正以及卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)處理方法。同時設(shè)計中考慮到可能存在的各種干擾因素，采用軟硬件結(jié)合的抗干擾方法提高系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。經(jīng)過反復(fù)的測驗，該方案完全能夠?qū)崿F(xiàn)題目要求！

關(guān)鍵字：單片機閉環(huán) 風(fēng)力擺控制系統(tǒng) 卡爾曼濾波

1. 方案論證與比較

1.1. 系統(tǒng)主控芯片選擇

方案一：采用AT89C51系列單片機作為控制的核心。51單片機價格便宜，應(yīng)用廣泛，I/O口的設(shè)置和使用操作簡單。但是51單片機的運行速度過慢，抗靜電抗干擾能力弱，內(nèi)部資源和存儲器功能較少，而且無ADC，還需要用外接電路實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，使硬件電路變得復(fù)雜。另外，51單片機完成系統(tǒng)功能較為困難。

方案二：采用MC9S12XS128MAL作為控制核心。MC9S12XS128MAL是Freescale公司生產(chǎn)的16位單片機，儲存功能強大，具有豐富的輸入/輸出端口資源，具有多種寄存器功能，而且端口引腳大多為復(fù)用口，具有多功能，所有端口都具有通用I/O口功能。內(nèi)部本身自帶PWM、A/D轉(zhuǎn)換功能，可以直接用，省去了單獨做PWM模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊，節(jié)省大量時間。完全能夠?qū)崿F(xiàn)本系統(tǒng)的所有功能。

綜合考慮，本系統(tǒng)選擇方案二

1.2. 風(fēng)力擺動力系統(tǒng)方案選擇

根據(jù)題目要求，用2~4只直流風(fēng)機，共有一下三種方案選擇：

方案一：采用兩只風(fēng)機作為系統(tǒng)動力系統(tǒng)。兩只風(fēng)機并排同向而立，分別固定擺桿兩側(cè)，通過控制兩個風(fēng)機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同風(fēng)力控裝置擺動是激光筆劃線畫圓。此方案遂犯負(fù)載親，但是在很難控制風(fēng)力擺的狀態(tài)修正和制動。

方案二：采用三只風(fēng)機作為動力系統(tǒng)。三只風(fēng)機成等邊三角形相背而立，互成120度夾角（外角）。此方案相對于方案一在控制風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動過程中狀態(tài)修正方面有提升，而且對于畫圓有一定優(yōu)勢，但是不好掌握相鄰風(fēng)機的推力，在控制系統(tǒng)運動方向難度很大。

方案三：采用四只直流風(fēng)機作為動力系統(tǒng)。四只風(fēng)機兩兩背靠背而立，中間用碳纖維棒將四只風(fēng)機固定成十字架形狀。

綜合上述比較分析，考慮到系統(tǒng)的快速工作以及精確控制，本系統(tǒng)采用方案三。

1.3. 角度檢測方案的選擇與論證

方案一：角位移電位器。角位移電位器屬于二位平面內(nèi)角位移傳感器測量擺動時關(guān)于靜止?fàn)顟B(tài)時的偏轉(zhuǎn)角，通過該偏轉(zhuǎn)角控制流風(fēng)機的狀態(tài)。但是角位移電位器只能檢測出二維平面內(nèi)的角度變化，不利于檢測風(fēng)力擺的空間位置。

方案二：選用三軸加速度傳感器。三周加速度傳感器具有體積小和重量輕的特點，可以測得空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運動的空間位置。此方案課精確測量風(fēng)力擺的當(dāng)前狀態(tài)，實現(xiàn)對風(fēng)力擺的精確控制。

綜合考慮，本系統(tǒng)選擇方案二。

1.4. 電機驅(qū)動模塊的選擇與論證

方案一：使用L298芯片實現(xiàn)電機驅(qū)動。L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，及內(nèi)部含兩個H橋的雙全橋驅(qū)動器，接受TTL邏輯電平信號通過PWM實現(xiàn)直流風(fēng)機調(diào)速。但是L298驅(qū)動大功率電機時發(fā)熱嚴(yán)重易燒毀芯片。

方案二：使用英飛凌的BTN7971驅(qū)動芯片。BTN7971是大功率集成半橋驅(qū)動芯片，在單一封裝中集成了PMOS和NMOS高低側(cè)功率開關(guān)以及門驅(qū)動器，還集成了邏輯控制電路和一些保護(hù)檢測功能，能夠防止過熱、過壓、欠壓、過流和短路。

綜合考慮，本系統(tǒng)選擇方案二。

1.5. 算法選擇

算法有很多種，它的選擇很重要，它決定處理系統(tǒng)的性能質(zhì)量和可行性。

方案一：自適應(yīng)算法。自適應(yīng)過程是一個不斷逼近目標(biāo)的過程。單片機讀取傳感器采集來的風(fēng)力擺空間位置來控制風(fēng)力擺的運動，但是由于該系統(tǒng)變化太快，自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)方式難以達(dá)到系統(tǒng)要求。

方案二：PID算法。在過程控制中，按比例、積分和微分的函數(shù)關(guān)系，對系統(tǒng)模型進(jìn)行運算分析，將其運算結(jié)果用以輸出控制。控制精度高，且算法簡單明了。

2. 系統(tǒng)設(shè)計

2.1. 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)上述方案論證，我們最終確定了以MC9S12XS128MAL單片機作為中央處理器，采用型號為MMA7361的模擬加速度陀螺儀檢測風(fēng)力擺的空間位置，使用BTN7971芯片驅(qū)動4個大功率直流風(fēng)機?？傮w框圖如下圖2.1所示。

2.2. 模塊電路設(shè)計

1、角度傳感器

角度傳感器選用藍(lán)宙電子生產(chǎn)的3軸陀螺儀+3軸模擬加速度傳感器MMA7361模塊。該模塊具有ENC-03M（全新包裝）三軸陀螺儀傳感器、MMA7361三軸模擬量輸出。

2、電機驅(qū)動模塊

BTN7971驅(qū)動芯片電路圖如圖2.2所示，BTN7971屬于半橋驅(qū)動芯片，所以用兩個芯片組成一個完整的全橋驅(qū)動芯片，如圖2（b）所示。由于直流風(fēng)機無法反轉(zhuǎn)，將風(fēng)機地端連載一起，將電源端接入驅(qū)動電路中的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，將驅(qū)動電路的輸入口接單片機PWM1、3、5、7口，通過個給驅(qū)動輸入PWM值臺階風(fēng)機速度達(dá)到對風(fēng)機控制目的。

3、撥碼開關(guān)

在單片機的PB口接一個撥碼開關(guān)，實現(xiàn)人機交互功能。當(dāng)撥動一個值后，系統(tǒng)會切換一個系統(tǒng)模式，完成本系統(tǒng)的全部功能操作。該模塊方便選擇各種模式。

3. 系統(tǒng)理論分析與計算

3.1. 風(fēng)力擺的運動控制分析

風(fēng)力擺采用4只功率為12V、1.2A的大功率直流風(fēng)機為動力驅(qū)動系統(tǒng)。模擬加速度陀螺儀采集風(fēng)力擺的當(dāng)前的角度，單片機處理角度信息輸出PWM占空比，控制4只風(fēng)機的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對風(fēng)力擺的控制。

3.2. 系統(tǒng)算法的分析

本系統(tǒng)采用PID算法來控制流風(fēng)機的轉(zhuǎn)動速度，流風(fēng)機開始工作后，姿態(tài)采集模塊不斷采集當(dāng)前風(fēng)力擺的空間位置角度，并與之前的狀態(tài)比較，是的風(fēng)力擺的運動狀態(tài)逐漸趨向于平穩(wěn)。PID算法由風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動角度比例P、角度誤差積分I和角度微分D組成。

其輸入e(t)與輸出U(t)的關(guān)系為：U（t）=P*［e(t)+1/I∫e(t)dt+D*de(t)/dt］

它的傳遞函數(shù)為：G(s) = U(S) / E(S) = P * [ 1 + 1 / ( I * s ) + D * s ]

風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動角度比例P：對風(fēng)力擺角速度進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，即對風(fēng)機轉(zhuǎn)動速度調(diào)整。比例越大，調(diào)節(jié)速度越快，但不能過大，過大可能造成四風(fēng)機因工作狀態(tài)的突變而使擺桿不穩(wěn)定。

角度誤差積分I：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差。計入微分調(diào)節(jié)使系統(tǒng)穩(wěn)定系數(shù)下降，動態(tài)相應(yīng)變慢。根據(jù)本系統(tǒng)要更快更穩(wěn)完成風(fēng)力擺的控制，本系統(tǒng)對積分調(diào)節(jié)的需要就非常弱。即保證在不需要時系統(tǒng)不會受到影響。

角度微分D：微分反映風(fēng)力擺角度的變化率，具有可預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢因此產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分作用調(diào)節(jié)消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在為分時間選擇合適情況下，減少調(diào)節(jié)時間。