基于stm32 低功率风力摆控制系统的研究

张祥庆 尹庆庆 张浩然 刘沂青 葛伟楠 山东师范大学 山东济南 250358

【文章摘要】

 　　系统采用STM32F103V 系统板作为控制中心，与万向节、摆杆、2W 低功率轴流风机、激光头、反馈装置一起构成摆杆运动状态与风机速度分配的双闭环调速系统。单片机移植入ucos 操作系统，可以稳定地控制程序，输出可变的PWM 波给轴流风机，控制4 个方向上风机的风速，从而产生大小不同的力。利用加速度计模块MPU6050 防止脱离运动轨迹。控制方式采用PID 算法加快动态响应。从而使该系统具有很好的稳定性。

【关键词】

STM32F103V ；ucos ；2W 轴流风机； MPU6050 ；PID

0 引言

众所周知，轴流风机功率越大，其机动性越强，受控制能力越好，所需要的算法难度也会降低；而如果轴流风机功率很小，那么它的可控性就会降低，所需要的算法难度大大增加。目前，在这种控制领域一般采用40W 以上甚至100W 以上的无刷电机加上扇页，供以220V 交流电或者大功率直流电来驱动电机， 这种电机提供了足够的动力，使得风机控制算法难度大大降低。因为功率太大使得转速太快以及风机结构为裸露扇叶，导致了噪音大、功耗高、危险系数大等问题，这些问题使得存在很大的缺陷与隐患。

1 控制方案

1.1 控制系统

我们采用STM32F103V 单片机做为主控芯片，移植ucos 操作系统，用加速度计陀螺仪模块MPU6050 来计算角度和风机状态，用轴流风机带动摆杆运动。当MPU6050 检测到摆杆的角度时，可根据三角函数公式计算出摆杆现在距离中心的具体位置，单片机会控制PWM 波的输出大小来控制风机的风速与方向，使摆杆达到在特定位置静止或按照一定的轨迹运动。在此过程中，单片机做出A/D 采样，防止发生轨迹偏移。

1.2 数据处理

通过加速度计陀螺仪模块MPU6050 检测风力摆摆杆的倾角数据。MPU6050 集成了3 轴MEMS 陀螺仪。MPU6050 和所有设备寄存器之间通信采用I2C 接口，实现高速通信。内置卡尔曼滤波器，精确测量风力摆当前姿态角。MPU6050 对陀螺仪和加速度计分别采用了16 位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，通过DMP 处理器读取测量数据然后通过串口输出。

2 软件设计

2.1 PID 算法基本原理

系统采用PID 算法来控制风机转动的速度，风机开始工作后， MPU6050 不断采集当前摆杆摆脚状态，并与之前的状态进行比较， 使得摆杆运动状态趋于稳定。PID 算法控制器由4 个风机速度分配比例P 角度误差积分I 角度微分D 组成。

其输入e(t) 与输出U（t) 关系为：

传递函数为：

2.2 主体算法设计

算法设计要考虑风机二维的运动和三维的运动并加。采用闭环控制，设定一个阈值，单片机检测到阈值，控制轴流风机，维度不同做出不同的反应。无论二维还是三维，都需要使用PID 算法控制，提高轴流风机的稳定性。

为了克服轴流风机动力不足的问题，需要在接入主体控制算法之前进行强制动力拉升，持续一段时间，然后接入PID 算法，使得风机快速稳定下来。

由于移植了操作系统ucos，配合ARM 单片机，使得程序的稳定性大大增强。

2.3 法实际效果

稳定性：移植了ucos 的新系统的稳定性大大增强，并且在控制上没有滞后的问题，灵敏度大大增强。

功耗：功耗为大功率直流无刷电机的0.5% 到1%，发热降低，可持续工作时间大大延长，而且节约了能源。

噪音：无啸叫声。

安全性：安全性较无刷电机大为提高。

3 结语

综上所述，本系统基本实现了测试要求， 并且具有低噪音、低功耗、安全系数高的特点。高性能的单片机和操作系统、好的算法，起到至关重要的作用，弥补了低功率风机动力的不足，并且大大增加了稳定性。

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