风力摆控制系统

2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）2015年8月15日摘要本系统采用STM32F103V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：STM32F103V、直流风机、MPU6050、PID、指南针GY-273Abstract：ThissystemadoptstheSTM32F103Vdevelopmentboardasthecontrolcenter,andtheuniversaljoint,swingingrod,dcfan(brushlessmotor+blades),laser,feedbackdevicetogetherformtheswingingrodmotionstateandfanspeeddistributionofthedoubleclosedloopspeedregulationsystem.MCUoutputvariablePWMwavestothemotorspeed,controlfourdirectionswindspeedofthefan,toproducedifferentsize.UsingaccelerometermoduleMPU6050,accuratelymeasurethepositionofswingingrodmobileandcenterposition,therelationshipbetweenthesamplingafterfeedbacktothesinglechipmicrocomputer,thefantimelycorrection,preventfromthetrajectory.Usethecompassmodulejudgingdirection,deviationcontrolsystemtoaspecifieddirection.UsingPIDalgorithmcontrolmethod,proportionlinkforquickresponse,integralelementtorealizeastatic,differentiallinkdecreaseovershoot,speedupthedynamicresponse.Sothatthesystemhasgoodperformance,whichcanwellrealizethependulummovement,fastbrakestatic,circle,specifythedirectiondeviation,hasagoodstability.Keywords:STM32F103V,dcfan,MPU6050,PID,compassGY-273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....................................................................................................21.2.1电机选择..................................................................................................................21.2.2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.........................................................................................3二、系统理论分析与计算......................................................32.1风力摆位置的计算与分析.................................................................................................32.2风力摆运动状态的分析.............................................................................................32.3控制算法的分析.........................................................................................................4三、电路与程序设计...........................................................43.1电路的设计.........................................................................................................................43.1.1系统总体框图..........................................................................................................43.1.2风力摆控制系统总电路原理图见附件1...............................................................43.1.3电源..........................................................................................................................53.2程序的设计.........................................................................................................................53.2.1程序功能描述与设计思路......................................................................................53.2.2程序流程图..............................................................................................................6四、测试方案与测试结果.......................................................64.1测试方案.............................................................................................................................64.2测试条件与仪器.................................................................................................................74.3测试结果及分析.................................................................................................................7（1）测试结果.................................................................................................................7（2）测试分析与结论.....................................................................................................8五、结论与心得...............................................................8六、参考文献.................................................................81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用STM32F103V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。角度传感器控制系统框图如图1所示。1.1.2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