帆板角度控制系统的设计与实现

摘要 系统采用单片机(STC89C54RD)作为主要控制器件，采用HEDS9701槽型光耦加360线光栅片组成的编码器获取帆板的角度信息，由单片机实时采集编码器的正交信号，从而获得实际角度。根据实际角度和目标角度数值，通过PID算法获得控制参量，调整PWM的参数，从而控制风扇转速，实现对帆板的角度修正和动态控制。
关键词 单片机；角度控制；PID

帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变遮风板转角θ，显示范围为0°～60°，分辨力为2°，绝对误差≤5°；当间距d=7～15 cm时，通过操作键盘控制风力大小，控制帆板转角θ，θ在0°～60°，要求控制过程在5s内完成，并实时显示，且有声光提示。如图1所示。

1 总体方案确定
帆板控制系统总体框图主要由单片机、角度信息采集模块、键盘输入模块、显示模块、电机驱动模块以及电源模块构成。系统设计总体框图如图2所示。

(1)角度信息采集模块：采用HEDS9701槽型光耦加360线光栅片组成的编码器获取帆板的角度信息，分辨率为1°，符合设计要求，且已经是数字信号，无需通过A／D采用模块输入单片机系统，稳定可靠。
(2)电机驱动模块：选用直流电机风扇，工作电流1．2 A，工作电压12 V。经测试，风力能将帆板吹至约80°。采用单片机STC89C54作为主控芯片，通过编码器输出的正交信号可以实现直流电机的正反转控制，通过PWM方式控制风扇转速，从而实现对帆板的角度控制。
(3)控制系统的选择：选用STC89C54作为主控器件，STC系列单片机是红星科技生产的单时钟、机器周期(IT)单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051。

2 理论分析与计算
2．1 角度信号的产生与计算
角度通过编码器输出的正交信号进行计算获得。如图3所示，A、B分别是传感器输出的两路正交信号。

如表1所示，正交信号A和B共同组成了4种情况，如当前A为1；B为0时；信号变为A为0；B为0，则帆板往反方向转，角度减少1°；信号变为A为0，B为1，则帆板往正方向转，角度增加1°；以此类推，正反方向各共有4种情况。
2．2 PID控制直流电机算法介绍
设计采用PI转速控制，PI控制实现采用常规方法，并包含了一个(Kc*Excess)项以抑制积分饱和，如图4所示。

相应程序为