风力摆控制系统设计报告

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1、大学生电子设计竞赛风力摆控制系统学院:计算机学院项目：风力摆控制系统负责人：王贤朝指导老师：张保定时间：2017年5月20日摘要本系统采用K60开发板作为控制中心，与万向节、摆杆、直流风机（无刷电机+扇叶）、激光头、反馈装置一起构成摆杆运动状态与风机速度分配的双闭环调速系统。单片机输出可变的PWM波给电机调速器，控制4个方向上风机的风速，从而产生大小不同的力。利用加速度计模块MPU6050，准确测出摆杆移动的位置与中心点位置之间的关系，采样后反馈给单片机，使风机及时矫正，防止脱离运动轨迹。使用指南针模块判别方向，控制系统向指定方向偏移。控制方式采用PID算法，比例环节进行快速响应，积

2、分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、指定方向偏移，具有很好地稳定性。关键词：K60、空心杯电机、MPU6050、PID、无线蓝牙目录一、系统方案11.1系统基本方案11.1.1控制方案设计11.1.2机械结构方案设计11.2各部分方案选择与论证11.2.1电机选择11.2.2电机驱动的选择21.2.3摆杆与横杆的连接选择21.2.4摆杆与风机的连接选择2二、系统理论分析与计算22.1风力摆位置的计算与分析22.2风力摆运动状态的分析32.3控制算法的分析3三、电路与程序设计33.1电路的设计33.1

3、.1电路...........................................................................................................................33.1.2电源43.2程序的设计43.2.1程序功能描述与设计思路43.2.2程序流程图4四、测试方案与测试结果54.1测试方案54.2测试条件与仪器54.3测试结果及分析5（1）测试结果5（2）测试分析与结论6五、结论与心得6风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案1.1系统基本方案1.1.1控制方案设计为了实现题目要求我们采

4、用K60单片机做为主控芯片，用加速度计陀螺仪模块MPU6050来计算角度和风机状态，用直流风机带动摆杆运动。当MPU6050检测到摆杆的角度时，可根据三角函数公式计算出摆杆现在距离中心的具体位置（方向、距离），单片机会控制PWM波的输出大小来控制风机的风速与方向，使摆杆达到在特定位置静止或按照一定的轨迹运动。当摆杆处于自然下垂状态时，给四个风机同时上电且风向都向外，此时摆杆仍处于受力平衡——静止状态。此时降低X轴上一个风机的转速，摆杆将会带动激光头在X轴上画一条直线，当达到一定的倾斜角度时，单片机可根据角度计算出此时距离中心的距离是否>=25cm，若达到要求后，此风机减速，X轴反方向

5、上电机逐渐加速，恢复到初始速度，反方向做相同的运动。在此过程中，单片机做出A/D采样，Y轴方向方向风机随时做出矫正，防止发生轨迹偏移。1.1.2机械结构方案设计12由于摆杆长度（60cm~70cm）较长，且要求激光头在地面画出15cm~35cm的圆，所以要求横杆的距离要足够长。横杆长度较长加之摆杆重量较大，所以要求底座要有足够的重量来支撑整个系统。如果结构不稳或者重量不够，摆杆运动过程中将会产生倾倒或者抖动等现象，影响测试结果。于是，底座采用了“工”型结构，保证了整个系统的稳定性。摆杆材料方面，我们选用轻便的硬质铁质材料与风机进行刚性连接，既能保证连接处的稳定，又可达到减轻底座负担的

6、目的。风机选择方面，既要保证风力够大，能够实现题目基本要求中的自由摆运动、快速制动静止。1.2各部分方案选择与论证1.2.1电机选择方案一：采用小型轴流风机（大功率），使用双滚珠轴承，采用滚动摩擦的形式，轴承中有数颗微小钢珠围绕轴心，当扇叶转动时，钢珠即跟着转动。因为都是球体，摩擦力较小，所以转速较高。能达到8000RMP，同时产生较大的风力。风机内力矩较大，是因为机内绕了大量的铜线，导致重量较大，当4个风机固定到一起时，重量更大，风机产生的风力带动风机运动困难加大，更难做到题目中按要求运动。另一方面，此风机功率较大，所需电流较大，驱动与供电方面也有很大问题。方案二：采用双环强磁空心

7、杯电机，内部使用强磁，转速较高。风力也足够大，基本能达到要求。方案三：采用无刷电机，风力较大，重量适中，完全能达到题目运动状态要求，速度控制精确，但须配套电机调速器。综合考虑，我们选择方案二。121.2.2电机驱动的选择由于上述电机选择了空心杯电机，此驱动BTN7971B驱动芯片。1.2.3摆杆与横杆的连接选择方案一：摆杆使用粗单股导线直接与横杆连接，连接简单且自由度较好，给风机供电等方面都比较容易，但是导线容易产生自旋，风机固定困难也增大，增加了调试难度