帆板角度控制系統的設計與實現

摘要 系統采用單片機(STC89C54RD)作為主要控制器件，采用HEDS9701槽型光耦加360線光柵片組成的編碼器獲取帆板的角度信息，由單片機實時采集編碼器的正交信號，從而獲得實際角度。根據實際角度和目標角度數值，通過PID算法獲得控制參量，調整PWM的參數，從而控制風扇轉速，實現對帆板的角度修正和動態控制。
關鍵詞 單片機；角度控制；PID

帆板控制系統，通過對風扇轉速的控制，調節風力大小，改變遮風板轉角θ，顯示范圍為0°～60°，分辨力為2°，絕對誤差≤5°；當間距d=7～15 cm時，通過操作鍵盤控制風力大小，控制帆板轉角θ，θ在0°～60°，要求控制過程在5s內完成，并實時顯示，且有聲光提示。如圖1所示。

1 總體方案確定
帆板控制系統總體框圖主要由單片機、角度信息采集模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、電機驅動模塊以及電源模塊構成。系統設計總體框圖如圖2所示。

(1)角度信息采集模塊：采用HEDS9701槽型光耦加360線光柵片組成的編碼器獲取帆板的角度信息，分辨率為1°，符合設計要求，且已經是數字信號，無需通過A／D采用模塊輸入單片機系統，穩定可靠。
(2)電機驅動模塊：選用直流電機風扇，工作電流1．2 A，工作電壓12 V。經測試，風力能將帆板吹至約80°。采用單片機STC89C54作為主控芯片，通過編碼器輸出的正交信號可以實現直流電機的正反轉控制，通過PWM方式控制風扇轉速，從而實現對帆板的角度控制。
(3)控制系統的選擇：選用STC89C54作為主控器件，STC系列單片機是紅星科技生產的單時鐘、機器周期(IT)單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051。

2 理論分析與計算
2．1 角度信號的產生與計算
角度通過編碼器輸出的正交信號進行計算獲得。如圖3所示，A、B分別是傳感器輸出的兩路正交信號。

如表1所示，正交信號A和B共同組成了4種情況，如當前A為1；B為0時；信號變為A為0；B為0，則帆板往反方向轉，角度減少1°；信號變為A為0，B為1，則帆板往正方向轉，角度增加1°；以此類推，正反方向各共有4種情況。
2．2 PID控制直流電機算法介紹
設計采用PI轉速控制，PI控制實現采用常規方法，并包含了一個(Kc*Excess)項以抑制積分飽和，如圖4所示。

相應程序為