风力摆

风力摆系统

摘 要

风力摆系统是一种利用风力对物体进行位置控制的设备，在我国虽然还没有成品的销售与应用，但这种控制理论已经应用于方方面面。目前的普遍问题风力摆系统的自动控制水平不高。

本设计将设计一款智能的风力摆控制系统。主要控制程序由STM32来实现。通过三轴陀螺仪进行角度采集，采集过来的角度值在进行卡尔曼滤波处理，最后将其应用到风力摆系统的控制程序中。主要实现对风力摆进行偏角的收集和计算、控制其运动轨迹，包括其角加速度的控制。风力摆所控制的系统会对各传感器测得的数据进行处理和计算，使对应的设备器件得到有效的、良好的控制，从而使得系统能安全有效地运行。 本设计主控制器利用STM32作为开发硬件系统。它能够对系统进行良好的操控，包括控制与监测风力摆的运动状态、角度值、加速度和平衡参数。轴部是通过万向节连接的，整体运动自如是通过它来实现。系统整体架构清晰，便于操控。

关键词:风力摆;STM32;陀螺仪;卡尔曼滤波 Abstract

Windpendulumsystemisakindofmicrocontrolequipment,thoughnotyetfinishedproductsalesandapplicationinourcountry,butthiskindofcontroltheoryhasbeenusedineveryaspect.Atpresentthecommonproblemsofwindpowersystemautomaticcontroll

evelisnothigh.Thisdesignwilldesignaintelligentwindpendulumcontrolsystem.Themaincontrolprogramimplementedbythestm32.AcquisitionthroughthetriaxialgyroAngle,theAngleofthecollectedvaluesinthekalmanfilterprocessing,theAnglevalueshavebeenobtainedthroughcomparingtheAnglevaluesbeforeandafterjudgmentaftertheoscillationamplitude,windpendulumswingwillneedthesizeoftheforceisconvertedintoPWMvalue,thenoutputtothemotordrive,ofcourse,whenthemotortodrivetheoutputtoneedtoaddtheprotectionlightcouplingforphotoelectricisolation.Controlsystemtoprocessthedataofeachsensormeasurementandcalculation,thecorrespondingequipmentdeviceeffectively,goodcontrol,thesystemcanrunsafelyandeffectively.ThisdesignusesSTM32asmaincontrollerhardwaresystemdevelopment.Itcancarryonthegoodcontrolofthesystem,includingthecontrolandmonitoringwindpendulummotionstate,Angle,acceleration,andbalanceparameters.Axisisthroughuniversaljointconnection,andtheoverallfreelyistoachievethroughit.Overallsystemstructureclear,easytocontrol.Keywords:STM32,microwindpendulumcontrollightcouplinggyroscope

Contents

TOC \\o \摘 要II AbstractIII CONTENTSVI 第1章绪论8 1.1课题背景8 1.2课题的来源9 1.3课题的国内外现状9 1.4本课题研究的内容10 第2章总体方案的设计11 2.1系统功能、要求及原理分析12 2.1.1设计任务12 2.1.2系统机械结构12 2.2控制方式选择13

2.2.1角度测量方案的论证与选择13 2.2.2直流风机驱动模块的论证与选择14 2.2.3控制系统的论证与选择14

2.2.4风力摆运动控制方案的选择与论证15 2.2.5电源方案的论证与选择15 2.2.6电机速度控制16 2.2.7控制算法的选择16

2.2.8理论分析与计算16 2.3控制系统方案17

第3章风力摆控制系统硬件设计17 3.1芯片选用18 3.2控制流程图20 3.3角度采集控制设计20 3.4程序滤波设计22 3.5光电隔离设计22 3.6系统主电路设计24 3.7电机控制设计24 3.8电源以及稳压模块设计27 3.8.1LM2596S电源模块27

3.8.2LM7805稳压芯片及应用电路28 第4章控制系统程序设计29 4.1程序需求30 4.2主程序流程图30 4.3控制程序流程图30 4.4PWM输出设计31 4.4.1Pwm构成31 4.5PID及其应用34

4.5.1模拟PID控制规律及实现方法35 4.5.2数字PID控制36

4.5.3增量式PID37 4.5.4PID参数整定37 4.5.5PID控制分析38 4.6圆形轨迹摆动控制39 致谢40 参考文献41

CONTENTS

风力摆是一种较为新型的控制设备，在国内也是刚刚起步，而在外国，已经出现了类似结构原理的机械设备并应用于工业和监测行业中。现在环境问题已经成为当今社会的一个巨大的问题。所以提高环境检测精度和速度已经成为了一个值得探讨与研究的问题。在西方发达国家，风力摆系统已经应用如一定范围内气体分布的抽样检测，将传感器悬挂于风力摆之上，当想要检测一定范围内的空气组成成分时将位置通过运算转换成风机的转速，与外接传感器形成闭环控制，较好的检测出不同位置的空气质量，从而对环境有更为确切的了解。采用了包括自动寻找最优路径、定位控制等多种控制方法，增加其稳定度。这也表明了我国风力摆微控制技术的相对较弱。因此，我国迫切需要一些对高精确度控制系统的实际研究与应用。

随着科学技术与电子信息产业的迅猛发展，风力控制嫣然已经成为了当今时代的主流和热门话题。随着国内外电子科技的不断更新，风力控制所涉及到的领域也越来越广泛起来。而且利用风力控制所制造出来的产品，更多的流入了市场，更多的进入了千家万户。进入到了我们的实现生活中。而这其中，风力控制也已经在市场上占有了很大的份额。

在国内利用风力摆原理对电机进行精确控制，我们的四旋翼飞行器才能更加的平稳。有的城市中有向日太阳能板，也是通过对信息的采集、分析，判断太阳方向，从而根据其数据控制电机定向定量改变太阳能板的角度，达到最大储能。从而更好地为路灯进行供电，为夜晚的交通安全提供了有力保障。

这样的例子在国内外还有很多很多，应用前景都非常广泛。如飞行器材，雷达的灵活运转等。而相比之下，国内的研究也进行的如火如荼，难分伯仲。

21世纪，我国的科技发展还处于发展中阶段，随着综合国力的不断提升，我国的科技水平也突飞猛进，相信在不久的将来，我国的风力控制技术能居于世界前列甚至举世无双。 本课题研究的内容

根据国内实际情况，本设计的主要目标是：设计一款智能风力摆系统，降低工人劳动量，并提高同类测试、信息采集装置控制方案。 本课题研究的主要内容包括以下几个方面： 了解风力摆的主要功能及控制系统的设计方法：

首先，我们需要一个宏观的对整体功能的把握，所完成的功能需要在我所学的知识储备范围内。在这其中，我需要对其整体进行细致的分析，包括如何实现控制风扇带动风力摆使其运动轨迹由我们自行控制，计算出最优路径；将不同摆动轨迹分门别类，我们自行研究与修改。

对风力摆控制进行数学分析并选择合理的控制方式：

在确定其功能的前提下，对所完成任务的语法、语句进行考究，包括选用何种连接方式、何种循环语句、何种嵌套模式与滤波补偿等等。 对该设备的电控系统的硬件部分进行设计：

包括系统主电路和控制元件的型号参数选择，对整个系统的稳定性进行评估，找出影响其稳定性最重要的因素，将其击破，同时考虑各个元器件之间的兼容性，例如主控芯片的驱动电平信号会不会过高导致主控芯片被烧毁，其大电流电路的信号与控制信号是否被连接在了一起。

对风力摆控制系统的整体结构进行分析。

这一项包括对风力摆整体的物理结构进行一个全方位的分析。其中最主要的是受力分析，整个框架需要有足够高的稳定性，这就需要对其运动轨迹、运动方式有一个初步的估算，以此确保在任何运动形式下，整个系统都能稳固。而后还需要对结构的连接点进行确认，因为在系统运行过程中存在不可消除的震动，这一震动对系统的整个运行有一定的影响，所以在必要的时候要对其连接处进行加固和减震处理。

总体方案的设计

系统功能、要求及原理分析 设计任务

设计并制作一长约60~70cm的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组（2~4只）直流风机，构成一个风力摆。风力摆上安装一个向下的激光笔，静止时，激光笔的下端距地面不超过20cm。设计一个测控系统，控制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。 设计要求

（1）从静止开始，15s内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段，其线性度偏差不大于2.5cm，并且具有较好的重复性； （2）从静止开始，15s内完成幅度可控的摆动，画出长度在30－60cm间可设置，长度偏差不大于2.5cm的直线段，并且具有较好的重复性； （3）可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20cm的直线段； （4）将风力摆拉起一定角度（30~45）放开，5s内使风力摆制动达到静止状态； （5）以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s内需重复3次；圆半径可在15~35cm范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径2.5cm的圆环内[1]。结构示意图如图2-1-1。

图2-1-1风力摆结构示意图

系统机械结构

本系统的外部结构采用三角梁结构，万向节固定在其顶部伸出的臂杆上，自由摆杆选取碳杆为材料，与万向节嵌套在一起，自由摆的状态是垂直向下。在自由摆杆的下方把三个空心杯电机互成120角分布，使得风向分别朝向前、左后方、右后方。摆杆选取碳杆是因为碳杆的强度较大，质量较轻，这样可以大大减小风力摆的负担，便于快速，陀螺仪平放在轴流风机的上方，很好地监测风力摆运动状态。同时把激光笔安装在自由摆下方垂直向下。

控制方式选择

本系统要求能够精确控制各风机使风力摆按照一定规律运动，故使用陀螺仪传感器、直流风机驱动模块、STM32单片机等模块实现符合系统要求的设计，下面分别论证对于这几个模块的选择。

角度测量方案的论证与选择

方案一：选用双轴倾角传感器模块LE－60－OEM，测量重力加速度变化，转为倾角变化，可测量双向。具有稳定性高、低功耗、结构简单等优点。响应速度为5Hz。它可以测量平衡板与水平方向的夹角，x，y方向可以测，但z轴不可测。且操作复杂，软件处理难度大。

方案二：采用陀螺仪MPU6050模块，MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。并且以串口模式向MCU输出MPU6050的测量数据。经过软件滤波后可以得到较为精准的测量值。此方案优点是该模块体积小，无需复杂的机械结构辅助。且与MUC连接仅需要2个I/O口[1]。

方案三：三轴陀螺仪BDZT664。可以根据需求选择匹配的参数。它可以测量倾斜检测应用中的静态重力加速度，以及运动、冲击或振动导致的动态加速度。X轴和Y轴的带宽范

STM32F103VB、STM32F103VE、STM32F103ZE 接下来对于STM32F103RBT6芯片为例进行说明： 表1芯片型号

综合考虑，本设计选用stm32-M103系列芯片，在保证功能的同时价格也较容易接受。

控制流程图

系统控制流程图如图3-2-1所示。

图3-2-1系统控制流程图

陀螺仪实时监测角度并将值储存起来，最小系统通过监测按键发来的信号去判定需要执行的操作，将指定程序执行后把信号发送至光耦从而到达驱动，驱动控制电机完成一系列指定动作。

角度采集控制设计

MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时的轴间差问题，减少了大量的包装空间。 MPU-6050集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后，就可以通过其I2C接口输出一个9轴的信号。MPU-6050也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。 为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为250，500，1000，2000/秒(dps)，加速度计可测范围为2，4，8，16g。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。MPU-6050模块与所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有1%变动的振荡器[2]。 关于电源，MPU-60X0可支持VDD范围2.5V5%，3.0V5%，或3.3V5%。另外MPU-6050还有一个VLOGIC引脚，用来为I2C输出提供逻辑电平。VLOGIC电压可取1.85%或者VDD。

本设计采用了MPU-6050模块，此传感器的功能可以说是十分出众。以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据。

图3-3-1陀螺仪时序图

但是，本设计只应用了其两轴的运算，即X轴和Y轴，因为如果加入Z轴对所需的功能没有太大的意义，当然，因为工作环境会有部分干扰项，采集过来的东西还需要滤波处理。 程序滤波设计

当然，所使用的陀螺仪采集到的实时角度值肯定会受到许多的干扰因素的影响，这种干扰是硬件电路设计中无法避免的，因而我们需要一种软滤波方法，将所得到的带有毛刺的角度模拟量进行滤波优化，换算成较为平滑的模拟量曲线。在此我们使用的是卡尔曼滤波。将所得到的角度值经过多次滤波以此得到与实际角度较为契合的数据。

卡尔曼滤波应用广泛且功能强大，它可以估计信号的过去和当前状态，甚至能估计将来的状态，即使并不知道模型的确切性质。本质上来讲，滤波就是一个信号处理与变换（去除或减弱不想要的成分，增强所需成分）的过程，这个过程既可以通过硬件来实现，也可以通过软件来实现。 卡尔曼滤波属于一种软件滤波方法，其基本思想是：以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值，算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计。 卡尔曼滤波器（Kalman Filter）是一个最优化自回归数据处理 算 法 （optimal recursive data processing algorithm），它 的 广 泛应用已经超过 30 年，包括航空器轨道修正、机器人系统控制、雷达系统与导弹追踪等。卡尔曼滤波作为一种数值估计优化方法，与应用领域的背景结合性很强。因此在应用卡尔曼滤波解决实际问题时，重要的不仅仅是算法的实现与优化问题，更重要的是利用获取的领域知识对被认识系统进行形式化描述， 建立起精确的数学模型，再从这个模型出发，进行滤波器的设计与实现工作[3]。

光电隔离设计

由于电机驱动与最小系统之间有信号线进行信号传输，当上电瞬间驱动电路的12V电有可能串入最小系统中，瞬间灌入过高电压可能导致单片机部分功能失灵甚至烧毁。所以应采取必要的保护措施，光耦就是一个很好的光电隔离器件。

光耦合器（optical coupler，英文缩写为 OC）亦称光电耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。 由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小、耐压高，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小，对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。 现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中[4]。 光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。[5]。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的

图3-5-1单光耦结构图

如图3-5-2在信号输入端添加200欧的电阻，目的是稍微台高输入端电压，使其信号过来后更容易导通。而RL处电阻选择5k也恰是为了抬高输出电压方便检测，因为输出端所需的是电压信号，故电阻可选择5-10K之间的阻值，取5k。

图3-5-2光耦基本电路

本系统将光耦安置在电机驱动与最小系统之间，最小系统发送过来的控制信号都要通过光耦才能输出到驱动中，以此提高了电路的安全性与实用性，使得该系统能更加稳健的运行。 系统主电路设计

系统的主要功能决定着电路结构。一个良好的电路结构不但能使系统更加稳定，而且会增加系统的可靠性，下图是电路的部分原理图。如图3-6-1所示。

图3-6-1部分原理图

驱动电路和光耦电路未全部添加，但功能大致相似，只是引脚略有差别。

在主电路中除了必要的3.3V稳压电路、复位电路等基本保障电路之外，光耦电路的添加绝对是浓墨重彩的一笔。有了光耦电路对芯片最小系统乃至整个电路来说都提高了实用性，使其不会因瞬间电流过大损坏元器件。 电机控制设计

空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机，也可以将其归类为微特电机。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，技术先进性十分明显。作为高效率的能量转换装置，在很多领域代表了电动机的发展方向。空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫杯型转子。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了极大改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。其具体特性表现为

1、节能特性能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上(铁芯电动机一股在30-50%).

2、控制特性起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到1毫秒以内(普通电动机一般在100一200毫秒)在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以对转速进行灵敏的调节。 3、拖动特性运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，能够容易的控制在2%以内。 另外，空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3～1/2.由于空心杯电动机克服了铁芯电动机不可逾越的技术障碍，而且其突出的特点集中在电动机的主要性能方面，使其具备了广阔的应用领域。尤其是随着工业技术的飞速发展，对电动机的伺服特性不断提出更高的期望和要求，使空心杯电动机在很多应用场合拥有不可替代的地位[6]。 图3-7-1空心杯电机结构图

本系统利用L298N电机驱动空心杯电机，由于L298N需要12V的直流电，但空心杯电机需要6~7V的电压控制，为此通过调节输入的占空比来控制输出的电压值，这样不但可控制空心杯的转速，也使系统更加稳定。同时程序中也对硬件做了保护，使输出电压绝对低于电机额定电压。L298N模块如图3-7-2。连接原理如图3-7-2.

图3-7-2L298N驱动模块

图3-7-3L298N基本连接原理 电源以及稳压模块设计

随着电子信息技术的快速发展，各类产品对电源的各项要求也随之提高，对电流、电压、功率等一些参数也要求更高，但是，由于受到各类半导体元器件的质量、参数以及性能的影响，每个开关电源模块的输出参数（如电压、电流、功率）往往并不能满足我们大型系统的要求，而且如今各类光、电类产业的迅猛发展，单个电源的效率能量都很低。因此，一个良好的稳压电源对整个系统至关重要。

而本设计主要的用电电压为5V和7.5V，通过计算各用电模块的耗电情况合理分配，可以说选择合适的电源模块的元器件和精确的计算都至关重要。

STM32的电源为3.3V，空心杯电机所使用的电压为7.5V，而空心杯电机是需要连接驱动模块的，所以驱动模块L298N的供电电压为7.5V。其中空心杯电机的电流稍大，最大可能达到0.5A每个。由此算来总电流可能达到2A左右，这就需要对部分模块电流有良好的控制，防止电流过大对电路造成伤害。

本系统先利用电源适配器将220V的电转换成12V2A的直流电，再通过LM2596S模块和LM7805芯片将12V的电转换成7.5V和5V。 LM2596S电源模块

输入电压范围：直流3.2V至40V(输入的电压必须比要输出的电压高1.5V以上，不能升压)。输出电压范围：直流1.25V至35V电压连续可调，高效率(最大92%)最大输出电流为3A。实测12V输入，5V输出电流1A时的负载调整率低于1%。如图3-8-1

图3-8-1LM2596S电源模块

图3-8-2LM2596基本电路

Lm2596相当于一个MOS管加上一些反馈环。其应用电路如图3-8-2所示。其中D1为续流二极管，其作用是在断电瞬间强制拉电感L1左点位为0，不然由于电路中电流不能瞬变的原因（电路中伏秒积相等），L1左边点位瞬间会变得很低。COUT的作用一个是为了

隔直通交，使直流电流流入被供电的电路，而是为了防止电路电压瞬变对器件造成冲击。而电感L1除了上述之外，还有稳定电源纹波的作用 LM7805稳压芯片及应用电路

用lm78xx或lm79xx系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压。 本设计采用LM7805典型应用电路。如图3-8-3所示。

图3-8-3LM7805典型应用电路

其中，C1有稳流的作用，而C2的主要作用是防止其输出端电压突变对电路造成冲击。VD2的作用主要是防止负载压降突变时3端口的电压低于1端口的电压，这时VD2就会将3端口电压拉至0V，起到了保护电路的作用。

控制系统程序设计 程序需求

整个风力摆控制系统的程序由两部分构成，第一部分是对信号的采集与储存，另一部分是根据采集过来的信息对整个系统有一个宏观的把握，即了解风力摆当前的运动状态，再根据其状态对其进行实时控制，以此达成系统的目标，保证整个系统操作精准。 主程序流程图

控制程序流程图

PWM输出设计

PWM主要应用在对电机速度的控制上。因为直接接通7.2V的电压电机会转速过快，就需要其他电机一同转来分力，而不使用PWM控制输出的话，风力摆最多只有3个方向可以选择，所以我们要利用PWM控制其占空比，以此来控制不同的电机的风力，通过力的合成来造出不同的角度来。 PWM构成

采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下几类方法. 折叠等脉宽PWM法:VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量. 折叠SPWM法:SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案. 折叠等面积法:该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅却不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点. 折叠硬件调制法:硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波.但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制.

折叠自然采样法:以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制[7]。 PWM在系统中的应用：在整个风力摆控制系统中，最主要的是对力的大小的把n握，有了脉冲宽度调制这种方法，就能轻松控制每个电机，即每个方向上的力了。例如在控制风力摆摆动任意角度这一模式中，先设定好哪个是1号电机，之后俯视方位看去逆时针方向依次为2号3号电机，将1号电机定位成0角。而后如需设置成60角，由于3个电机互成120，所以只需将1号电机和3号电机给出相同的PWM值则通过力的合成法则，就可控制出30的角来，摆动的幅度有具体占空比来确定。具体受力图如图4-4-1所示。

图4-4-1风力摆受力示意图

如图，当电机3的力为0时电机1与电机2的输出PWM值一样时，合成力的方向正好为60，我们还可以依此方法调整输出PWM的值来合成其他方向的力。 PID及其应用

在生产过程控制领域,PID调节器占有重要地位.一般的线性较好、时变不特别明显的工业对象,若应用经典控制理论,通过对P、I、D三大参数的整定,利用PID调节器进行控制,就可获得满意的控制效果.但当系统起停或设定值突然改变时，由于系统中某些元件的非线性(如饱和),在PID控制的积分项作用下，系统的输出将产生很大的超调并振荡很多次才稳定下来，因此，那些线性不怎么好、干扰因素较多的系统，还有那些对过渡过程要求较高的快速跟踪系统，常规PID调节器的控制效果很难让人满意，需要加以其他的控制规律辅助[8]。 图4-5-1程序设计框图

模拟PID控制规律及实现方法 1、模拟PID控制组成如图4-5-1所示 图4-5-1PID控制组成图 2、PID微分方程及各部分特点 式中：；

--调节系统的控制偏差； --控制器的比例系数；

--控制器的积分时间，即积分系数； --控制器的微分时间，即微分系数；

Kp越大，系统反应灵敏，过渡时间越快，但稳定度下降。 Td越大，微分作用越强，能够克服容量和测量滞后，但对突变信号反应过猛。 Ti越小，积分作用越强，消除余差越快，稳定度下降，振荡加强[8]。 将上述的系数通过不同的配比，可使整个系统更加精确、稳定，从而达到更好的效果。

数字PID控制

在采样系统中，把PID运算的程序离散处理，使系统实现更精确的控制。在进行处理时，以T作为采集信息的周期，K为采集的序数，则离散采样时间KT对应着连续时间t，由此可得PID控制规律的离散型PID表达式： 其中：K--采样序号，k=0.1.2…… --第k次采样时刻的计算机输出值； --第k次采样时刻输入的偏差值； -第k-1次采样时刻输入的偏差值[9]； 增量式PID

增量式PID是将输入变量经单片机算法处理后的输出值作为执行器位置的变量值进行处理。

增量式PID表达式： 其中：A=，B=，C=； ：执行器的该变量；

这种PID控制方式有着诸多长处，在未来一定会有着很大的应用前景。增量式PID的可通过位置式PID算出，其计算公式如下：

位置式及增量式算法都是应用最广泛的PID算法，在数字式PID的使用中，采样周期T必须足够小，否则将出现较大误差。 PID参数整定

在闭环控制系统中，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数Ku，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期Tu。在本设计中对参数的调节使用临界比例度法。 临界比例度法参数整定步骤如下：

1、将调节器的积分时间Ti置于最大，即Ti=∞，微分时间置零(Td=0)，比例系数Kp适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。 （2）将比例增益Kp逐渐减小,直至得到等幅振荡过程,记下此时的临界增益 Ku和临界振荡周期Tu值。

（3）根据Ku和Tu值,计算出控制器各个参数,即Kp、Ti、和Td的值[10]。

表4-5-4临界比例度参数整定公式 PID控制分析

在物理建模中，我们已经知道实际系统的物理模型： 图4-5-5PID控制结构图

如图4-5-5，其中需仔细调节PID控制器的参数，以达到满意的控制效果。 圆形轨迹摆动控制

相对于其他几项功能来讲，圆形运动轨迹是最难实现的，因为其各个角度所需力的大小方向都不一样，而且采集过来的实时角度在使用中有一定的延迟，这就需要对其轨迹进行建模分析，找出其运动过程中的受力规律，找出其各个点的运动规律，并加以整合，最终才能实现较为规则的圆形的摆动轨迹的目标。 圆形轨迹的起始摆动轨迹图如图4-6所示。

图4-6圆形轨迹

在前4个起始阶段需要操控电机在不同的方向上，依据实时状态，包括角度，以及实时速度与加速度进行预判与整合，期间利用PID控制对拐角处进行直角磨合，使其拐角变得柔和、自然。

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