風(fēng)力擺系統(tǒng)是一種利用風(fēng)力對(duì)物體進(jìn)行位置控制的設(shè)備，在我國(guó)雖然還沒(méi)有成品的銷(xiāo)售與應(yīng)用，但這種控制理論已經(jīng)應(yīng)用于方方面面。目前的普遍問(wèn)題風(fēng)力擺系統(tǒng)的自動(dòng)控制水平不高。

　　1、基于AT89S52，驅(qū)動(dòng)電路L298N的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)

　　系統(tǒng)由五部分構(gòu)成，分別是控制器AT89S52，驅(qū)動(dòng)電路L298N，風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)部件，擺角度檢測(cè)電路、人機(jī)交互鍵盤(pán)和LCD顯示器。

　　1.1 AT89S52控制器

　　AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在線可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器，時(shí)鐘頻率、存儲(chǔ)空間和基本接口完全可以滿足系統(tǒng)控制要求。

　　1.2 L298N直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

　　L298N是一款高輸入電壓，具有雙H橋大電流輸出驅(qū)動(dòng)的集成電路，輸入信號(hào)兼容TTL電平，輸入電壓最大46V，輸出直流電流最大4A，可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或繼電器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許器件控制兩路輸入信號(hào)，所以使用一片L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。通過(guò)輸入PWM脈沖，控制加在直流電機(jī)上的平均電壓，從而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速［1］。

　　1.3 MPU6050三維角度傳感器

　　MPU是一款6軸運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器，包括三軸陀螺儀角速度檢測(cè)，利用內(nèi)部16位A/D轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)X、Y、Z軸在±250°、±500°、±1000°與±2000°/s數(shù)字量可控輸出，三軸加速度檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)±2g，±4g，±8g和±16g范圍測(cè)量，利用16位A/D轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)數(shù)字量。另外芯片內(nèi)部集成一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP完成三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理或運(yùn)動(dòng)姿態(tài)識(shí)別。

　　將MPU6050固定在風(fēng)力擺上，通過(guò)它監(jiān)測(cè)擺的角度，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)送給控制器進(jìn)行處理。MPU6050構(gòu)成的角度監(jiān)測(cè)電路如圖2。

　　1.4 LCD液晶顯示電路

　　系統(tǒng)采用12864LCD，用于顯示角度、幅度等參數(shù)，為了節(jié)省單片機(jī)I/O口資源，LCD選擇串行通信方式完成信息傳遞。

　　1.5 按鍵電路

　　為了能夠?qū)︼L(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)的模式、距離和偏轉(zhuǎn)角度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)考慮電路簡(jiǎn)潔，選擇獨(dú)立式結(jié)構(gòu)的五個(gè)鍵組成按鍵電路，分別接到單片機(jī)的I/O口上。

　　2、風(fēng)力擺控制算法

　　由于風(fēng)力擺是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下控制器不斷地采集姿態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，然后控制風(fēng)機(jī)對(duì)擺的運(yùn)動(dòng)軌跡做出修正。這是一種典型的隨動(dòng)系統(tǒng)，由于控制對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型建立較為困難所以采用數(shù)字PID控制算法。

　　 PID算法

　　PID算法就是對(duì)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)算法［3］。數(shù)字化的PID算法如（1）。

　　［uk=Kpek+TTIj=0kej+TDTek-ek-1］ （1）

　　其中uk是控制量，e（k）是控制偏差，Kp是比例系數(shù)，T是系統(tǒng)采樣周期，TI是積分時(shí)間，TD是微分時(shí)間。

　　由于風(fēng)力擺的實(shí)時(shí)性要求較高，要能夠迅速對(duì)擺的運(yùn)動(dòng)做出響應(yīng)，所以除了比例調(diào)節(jié)外，必須要有微分調(diào)節(jié)，由于積分調(diào)節(jié)過(guò)程會(huì)增加調(diào)節(jié)時(shí)間，所以算法利用PD調(diào)節(jié)器進(jìn)行偏差計(jì)算得到控制量。

　　［e=set_angle-cur_angle］

　　其中e是擺的偏差，set_angle是擺的設(shè)定角度，cur_angle是采集到當(dāng)前擺的角度。

　　［u=Kpek+TDTek-ek-1=Kpek+Kd？ek］ （2）

　　其中Kd是微分系數(shù)。通過(guò)上述算法式計(jì)算出控制量u（最后將控制量轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM），利用計(jì)算出的PWM控制量控制風(fēng)機(jī)速度，同時(shí)反復(fù)調(diào)整Kp和Kd值使控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能符合要求。

　　3、結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)反復(fù)測(cè)試和調(diào)整PD調(diào)節(jié)器參數(shù)，風(fēng)機(jī)可控制擺做指定長(zhǎng)度直線運(yùn)動(dòng)、指定角度直線運(yùn)動(dòng)和指定半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性上能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　基于STM32的風(fēng)力擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　本系統(tǒng)由微處理器STM32，直流風(fēng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)，慣性測(cè)量單元MPU6050，OLED顯示，4X4矩陣鍵盤(pán)，蜂鳴器構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)行可分為兩部分：風(fēng)力擺的控制部分和預(yù)設(shè)值輸入與顯示部分。風(fēng)力擺控制是由STM32定時(shí)器輸出頻率，占空比可調(diào)的PWM波經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊之后，使直流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)與PWM波占空比成線性關(guān)系，以此達(dá)到控制風(fēng)力擺擺動(dòng)的目的。預(yù)設(shè)值輸入與顯示是通過(guò)矩陣鍵盤(pán)將預(yù)設(shè)值輸入到微處理器。再由處理器將數(shù)據(jù)送至OLED上顯示。MPU6050的三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)，經(jīng)MCU解算之后得到風(fēng)力擺擺角，形成信號(hào)反饋回路。組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制算法為PI調(diào)節(jié)。