风力摆控制系统设计报告.doc

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大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统
学院: 计算机学院
工程：风力摆控制系统
负责人：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。能到达8000RMP，同时产生较大的风力。风机力矩较大，是因为机绕了大量的铜线，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，部使用强磁，转速较高。风力也足够大，根本能到达要求。
方案三：采用无刷电机，风力较大，重量适中，完全能到达题目运动状态要求，速度控制准确，但须配套电机调速器。
综合考虑，我们选择方案二。
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。
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拟容易，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。
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方案二：摆杆使用硬质碳素杆材料，通过万向轴与横杆相连。用此材料强度能够到达要求，且风机固定容易。硬件搭建合理，配重平衡的前提下，摆杆来回摆动不易发生偏移，可轻松解决根本要求〔1〕，减少了编写代码的工作量。
综上考虑，我们选择方案二，节约时间。
摆杆与风机的连接选择
方案一：摆杆与风机之间使用一个直流电机或者舵机连接，这样可以随时改变风机的方向，同时可减少风机的数量，控制量减少。但是此方案连接构造较为复杂，发挥局部圆周运动稳定性不高。
方案二：摆杆与风机之间采用刚性连接，连接较为简单，稳定性能较好。
综上考虑，我们选择方案二。
系统理论分析与计算

通过加速度计陀螺仪模块MPU6050检测风力摆摆杆的倾角数据。MPU6050集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计。可根据三角函数公式，可计算出此时摆杆距离中心位置的距离(见图3〕。部有一个数字运动处理器DMP。测试过程中，MPU6050与单片机之间进展通信，距离较长，走线较多，干扰较大导致读数不准确，所以在SCL与SDA上拉2K电阻，解决采样问题。置卡尔曼滤波器，采用最优化自回归数据处理算法准确测量风力摆当前姿态角。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别采用了16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，通过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。
图3 摆杆摆动示意图〔图中红色为MPU6050)
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MPU6050可测量出出θ1的角度
由图中可知
所以θ1=θ2；根据三角函数式 〔60cm<L<70cm) 可求出摆杆偏移中心的距d。
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根本要求〔1〕中属于开环控制系统，激光笔绘制的轨迹超过50cm即可。我们可以设置摆杆倾角超过一个阈值θ，θ可通过摆动半径R〔R>=25cm〕直接计算出。然后，通过开环调节，从低到高改变风机的风速，直到摆杆的角度超过阈值，记下此时PWM波脉宽级作用时间。
图4 摆杆角度姿态分析图
要绘制50cm直线，只需R>25cm〔R为地面运动轨迹的一半〕在平面运动即可
则其中L为摆杆与激光头的长度，a为激光头到地面的距离〔a<=20cm〕根本要求〔2〕摆动幅度可控，属于闭环控制系统，公式计算与〔1〕一样设置直线长度▽θ〔30cm<▽θ<60cm〕MPU6050将倾角，角速度送给单片机，单片机控制风机来产生推力使摆杆摆动。

切线方向
系统采用PID算法来控制风机转动的速度，风机开场工作后，MPU6050不断采集当前摆杆摆脚状态，并与之前的状态进展比拟，使得摆杆运动状态趋于稳定。PID算法控制器由4个风机速度分配比例P角度误差积分I角度微分D组成。
图5 圆周运动分析图
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其输入e〔t〕与输出U〔t)关系为：
径向
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