基于ADXL345和ADuC7026的平台转角控制系统设计
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发表于 5/25/2012 6:00:06 PM
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1.设计背景
本转角控制系统为一平台稳定系统，采用ADUC7026 单片机作为控制核心，控制平台转角，使平台始终平行于当地水平面。利用传感器ADXL345检测平台的转角，通过PWM方法控制直流电机转动，进而控制平台的转角。如图1所示
2.ADXL345角度测量原理
如果用一句话概括，那就是通过测量重力加速度在水平方向的分量进行测角。假设当平台转动产生转角θ的时候，我们将平台进行受力分析，如图2所示，重力与重力沿θ方向上的分力的关系为: F=G × sinθ其中G为物体受到的重力，F为物体在重力沿θ方向上受到的分力。根据牛顿运动第二定律，我们可以得知F=m × a。其中m为物体的质量，a为物体在F方向上的加速度。由公式F=G × sinθ可以推出：sinθ=a/g，因此只需测量到a的数据，便可以推算出帆板的转角θ。
但这种测量方式是有严格要求的，那就是：平台相对地面应该是固定的，不能有水平加速运动，否则测量值将无法作为参考。
3.控制策略
要使转角θ能稳定在某一设定值，本系统采用了位置式PID算法来实现。ADUC7026主控制单片机通过倾角传感器ADXL345对信号进行采集，再在主控制单片机中通过算法实现PID运算，再通过PWM方法调节电机运转。
表达式为：y(k)=y(k-1)+△y(k)，其中，y(k) ——第k次输出的控制(信号)值，y(k-1)——前一次输出的控制(信号)值，△y(k)——输出增量(可为正、负数)。
△y(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+ki e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
其中：kp—比例系数，ki—积分系数,kd—微分系数。
e(k)：第k次采样时的偏差值(采样值与设定值之差)
e(k-1)：第k-1次采样时的偏差值(采样值与设定值之差)
e(k-2)：第k-2次采样时的偏差值(采样值与设定值之差)
上式中有kp、ki、kd 3个系数需要确定，在实际应用中可以采用如下经验公式：
△y(k)=kp[2.45e(k)-3.5e(k-1)+1.25e(k-2)]
附： ADXL345 是美国模拟器件公司于2008 年推出的采用MEMS 技术具有SPI 和I2C 数字输出功能的三轴加速度计，具有小巧轻薄、超低功耗、可变量程、高分辨率等特点：它只有3 mm×5 mm×1 mm 的外形尺寸，面大小相当于小拇指指甲盖的1/3；在典型电压VS=2.5 V 时功耗电流约为25～130 μA，比先期采用模拟输出的产品ADXL330 功耗典型值低了约70～175 μA；最大量程可达±16 g，另可选择±2、±4、±8 g 量程，可采用固定的4 mg/LSB 分辨率模式，该分辨率可测得0.25°的倾角变化。ADXL345 提供一些特殊的运动侦测功能，可侦测出物体是否处于运动状态，并能敏感出某一轴向加速度是否超过了用户自定义门限，可侦测物体是否正在跌落。此外，还集成了一个32 级FIFO 缓存器，用来缓存数据以 减轻处理器的负担。ADXL345 可在倾斜敏感应用中测量静态重力加速度， 也可在运动甚至振动环境中测量动态加速度，非常适合于移动设备应用，可望在手机、游戏和定位设备、微小型导航设备、硬盘保护、运动健身器材、数码照相机等产品中得到广泛应用。
