风力摆控制系统设计报告

风力摆控制系统设计报

告

文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）

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

风力摆控制系统（B题）

【本科组】

一、系统方案

系统基本方案

控制方案设计

为了实现题目要求我们采用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。

机械结构方案设计

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。

各部分方案选择与论证

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。

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。

方案二：摆杆使用硬质碳素杆材料，通过万向轴与横杆相连。用此材料强度能够达到要求，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，可轻松解决基本要求（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。但是此方案连接结构较为复杂，发挥部分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。

二、系统理论分析与计算

风力摆位置的计算与分析

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）。内部有一个数字运动处理器DMP。测试过程中，MPU6050与单片机之间进行通信，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。内置卡尔曼滤波器，采用最优化自回归数据处理算法精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。

1

2 MPU6050可测量出出θ1的角

度

由图中可知

21πθα=+ 22πθα=+ 风力摆运动状态的分析 基本要求（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。

要绘制50cm 直线，只需R>25cm （R 为地面运动轨迹的一半）在平面内运动即可

a L R tan +=θ则）（a

L R arctan +=θ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 ）基本要求（2）摆动幅度可控，属于闭环控制系统，公式计算与（1）相同设置直线长度▽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。

控制算法的分析

系统采用PID 算法来控制风机转动的速度，风机开始工作后，MPU6050不断采集当前摆杆摆脚状态，并与之前的状态进行比较，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4 摆杆角度姿态分析切线方向

所以θ1=θ2；根据三角函

数式L d 2sin =θ （60cm