风力摆控制系统设计报告

2015 全国大学生电子设计竞赛 风力摆控制系统（B题）【本科组】 年8月15日

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2015

摘要：本设计是基于STM32F103VE单片机为核心的简易风力摆控制系统，该系

统由电源供电模块，直流风机及驱动模块、角度检测模块、信息处理模块、继电器及驱动模块、蜂鸣指示模块和液晶显示模块构成。STM32F103VE通过改变PWM占空比来实现对直流风机速度及方向的控制，该风力摆控制系统能够实现题目要求，简单做直线运动、复杂做圆周运动。

关键字：风力摆 角度传感器 单片机 自动控制系统

一．方案论证： 1.系统结构

1）机械结构如图1所示。

一长约67cm的吸管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂4只直流风机，中间安装陀螺仪，构成一风力摆。风力摆下安装一向下的激光笔，静止时，激光笔下端距离地面18cm。

图

1

2）测控电路结构

测控电路结构如图2所示。

编码器按键 2 / 11

角度传感器

STM32微处理器 蜂鸣器 风机供电 电机驱动电路 OLED液晶显示 直流风机 图2

2.方案比较与选择

其实整体电路架构上图已经给定，主要是几个关键部分————直流风机选型及架构、直流风机驱动电路、传感器、主控芯片选择，我们分析如下： 1）直流风机的选型

方案一：采样大电流成品直流风机，虽然风力够大，但驱动多个风机所需电流过大，单个电源难以满足要求，而且比较重，多个电机使得惯性过大难以控制。鉴于以上两点，弃用。

方案二：采用小型高速电机加螺旋桨自制直流风机，风力大，体积小，质量轻，而且性价比高。

风力摆控制系统风机质量轻，减小惯性，容易起摆；风力大，风速控制范围大，摆动角度大；体积小，减少外部的干扰；鉴于以上几点，本设计采用方案二。

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2）风机个数及架构

方案一：两只直流风机构成直线型架构，不能画圆，不满足要求。 方案二：三只直流风机构成三角形架构，能满足划线要求，一旦涉及到角度问题，此结构角度计算就比较麻烦，画圆时三个风机控制量关系难以找出。 方案三：四只直流风机构成十字形架构，划线时控制单个风机，切换角度划线，控制相邻风机，画圆时，依次循环给与风机正弦数据，稍加修改数据校正风机差别即可画出。

综上比较，选用方案三。 3）风机驱动电路的选择

方案一：晶体管驱动电路，饱和压降小，但驱动电流较大，功耗相对较大，开关速度相对较慢。

方案二：MOS管驱动电路，驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

本电路直接由单片机控制，输出恒定电压3.3V，足以使A2SHB MOS管驱动电路导通，这样MOS管驱动电路显然更具优势，本设计选用MOS管驱动电路。 4）主控芯片的选择

方案一：采用80C51单片机。优点：控制简单，最熟悉，资料最多；缺点：片内接口少，速度低，片上资源较少。

方案二：采用STM32F103VE处理器。该款处理器是基于Cortex-M3内核的单片机，其性价比高，低功耗，资源丰富，即可以满足本系统的设计要求，又符合经济性原则。

本设计需要通过调节PWM占空比调节直流风机的风速，需要通过控制相邻

风机不同的占空比来控制风力摆的运动方向，同时需要通过I2C协议高速采集角度传感器实时数据，综合以上各方面因素，控制系统选择方案二更好一些。

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二．测控方法： 1.风力摆状态测量

MPU6050是一款姿态传感器，使用它就是为了得到摆杆x、y轴的倾角（俯仰角Pitch、滚转角Roll）。我们通过IIC读取到MPU6050的六个数据（三轴加速度AD值、三轴角速度AD值）经过四元素姿态融合就可以得到欧拉角。这些状态量与风机共同建立闭环系统，控制风力摆运动。

2.风力摆运动控制

1）直线自由摆

理想状态下，自由摆运动不需要外力来维持。但现实中的摆会受到空气的阻力以及来自万向节的摩擦力，摆动幅度会逐渐减小，所以要想我们制作的摆实现自由摆运动，就需要摆上的直流风机提供风力摆平衡空气阻力和万向节的摩擦力。万向节上的摩擦力是固定不变的，空气阻力和速度的平方成正比，其表达式式为f=k*v*v，其中f为空气阻力，k为比例系数，v为摆的速度。 自由摆的周期计算公式为，T=2*Pi*sqrt(l/g)，其中Pi为圆周率，l为摆杆长度，g为地球上的重力加速度。以最高点为计时零点，则摆的速度与时间的关系为v=sin(t),t时刻摆受到的阻力为F=C+k*sin(t)*sin(t),其中C为万向节的摩擦力，k为空气阻力的比例系数。做自由摆运动时，先启动某一个直流风力，使风力摆上升到一定的高度，让后停止该风机，同时启动反方向风机补偿摩擦力，当达到另一个最高点时，启动相反方向的风机。如此反复调节C，k的值，直到摆达到较为完美的摆动。 2）任意长度自由摆

在直线自由摆的前提下，改变摆的初始高度，即改变摆的振幅，从而实现任意长度的自由摆运动。 3）任意方向自由摆

在（1）中，只使用了两只方向相反的风机，所以只能在两只风机的连线方向上运动，要实现任意方向的摆动，需要启动四只风机。两只相邻的风力，控制其风力比值为1:1，则可使摆向45度角方向运动，控制风力配比为tan

（Φ），便可使摆向Φ角方向运动。结合（1）中的理论，即可实现任意方向的自由摆。

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