风力摆控制系统-设计报告.docx

风力摆控制系统-设计报告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 2二、系统理论分析与计算 3三、电路与程序设计 ........................................................................................................................... 4四、测试方案与测试结果 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】,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。(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。: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。