風力擺系統是一種利用風力對物體進行位置控制的設備，在我國雖然還沒有成品的銷售與應用，但這種控制理論已經應用于方方面面。目前的普遍問題風力擺系統的自動控制水平不高。

　　1、基于AT89S52，驅動電路L298N的風力擺控制系統

　　系統由五部分構成，分別是控制器AT89S52，驅動電路L298N，風力擺運動部件，擺角度檢測電路、人機交互鍵盤和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存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器，時鐘頻率、存儲空間和基本接口完全可以滿足系統控制要求。

　　1.2 L298N直流風機驅動

　　L298N是一款高輸入電壓，具有雙H橋大電流輸出驅動的集成電路，輸入信號兼容TTL電平，輸入電壓最大46V，輸出直流電流最大4A，可以驅動直流電機、步進電機或繼電器等執行機構。它具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許器件控制兩路輸入信號，所以使用一片L298N芯片可以驅動兩臺直流電機。通過輸入PWM脈沖，控制加在直流電機上的平均電壓，從而達到控制風機轉速［1］。

　　1.3 MPU6050三維角度傳感器

　　MPU是一款6軸運動檢測傳感器，包括三軸陀螺儀角速度檢測，利用內部16位A/D轉換器可以實現檢測X、Y、Z軸在±250°、±500°、±1000°與±2000°/s數字量可控輸出，三軸加速度檢測可以實現±2g，±4g，±8g和±16g范圍測量，利用16位A/D轉換器輸出相應數字量。另外芯片內部集成一個數字運動處理器DMP完成三維運動數據處理或運動姿態識別。

　　將MPU6050固定在風力擺上，通過它監測擺的角度，同時將采集的數據送給控制器進行處理。MPU6050構成的角度監測電路如圖2。

　　1.4 LCD液晶顯示電路

　　系統采用12864LCD，用于顯示角度、幅度等參數，為了節省單片機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

　　為了能夠對風力擺運動的模式、距離和偏轉角度等參數進行設定，同時考慮電路簡潔，選擇獨立式結構的五個鍵組成按鍵電路，分別接到單片機的I/O口上。

　　2、風力擺控制算法

　　由于風力擺是在運動狀態下控制器不斷地采集姿態數據并進行判斷，然后控制風機對擺的運動軌跡做出修正。這是一種典型的隨動系統，由于控制對象的準確數學模型建立較為困難所以采用數字PID控制算法。

　　 PID算法

　　PID算法就是對偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的調節算法［3］。數字化的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，T是系統采樣周期，TI是積分時間，TD是微分時間。

　　由于風力擺的實時性要求較高，要能夠迅速對擺的運動做出響應，所以除了比例調節外，必須要有微分調節，由于積分調節過程會增加調節時間，所以算法利用PD調節器進行偏差計算得到控制量。

　　［e=set_angle-cur_angle］

　　其中e是擺的偏差，set_angle是擺的設定角度，cur_angle是采集到當前擺的角度。

　　［u=Kpek+TDTek-ek-1=Kpek+Kd？ek］ （2）

　　其中Kd是微分系數。通過上述算法式計算出控制量u（最后將控制量轉變為PWM），利用計算出的PWM控制量控制風機速度，同時反復調整Kp和Kd值使控制系統運動性能符合要求。

　　3、結論

　　實驗結果表明，通過反復測試和調整PD調節器參數，風機可控制擺做指定長度直線運動、指定角度直線運動和指定半徑的圓周運動，在穩定性、準確性和快速性上能夠達到設計要求。

　　基于STM32的風力擺系統結構圖

　　本系統由微處理器STM32，直流風機及驅動，慣性測量單元MPU6050，OLED顯示，4X4矩陣鍵盤，蜂鳴器構成。系統運行可分為兩部分：風力擺的控制部分和預設值輸入與顯示部分。風力擺控制是由STM32定時器輸出頻率，占空比可調的PWM波經驅動模塊之后，使直流風機的轉數與PWM波占空比成線性關系，以此達到控制風力擺擺動的目的。預設值輸入與顯示是通過矩陣鍵盤將預設值輸入到微處理器。再由處理器將數據送至OLED上顯示。MPU6050的三軸加速度數據和三軸角速度數據，經MCU解算之后得到風力擺擺角，形成信號反饋回路。組成閉環控制系統。控制算法為PI調節。