文档介绍:全国电子设计大赛论文
集团标准化办公室:[VV986T-J682P28-JP266L8-68PNN]
2015 年全国大学生电子大赛设计竞赛
风力摆控参赛系号熾题262
风力摆控制系统(B题)
摘要
风力摆系统是非线性、。风力摆就是这样一 个被控制对象。风力摆本身是一个自然不稳定体,在控制过程中能有效地反映 控制中的许多关键问题,如非线性问题、随动问题、跟踪问题等。风力摆系统 作为一个实验装置,结构简单,成本低廉;作为一个被控对象,它又相当复 杂,只有采取行之有效的控制方法方能使之稳定。本设计是通过测控系统,控 制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动,激光笔在地面画出要求的轨迹。设 计的难点之一就是如何精确控制直流风机,直流风机必须克服自身的重力,从 而完成题目所要求的直线运动和圆周运动,经过反复的实验,我们最终选择了 三个 12V, 的直流风机[1],够成等边三角形,通过 K60 输出三路 PWM 波, 通过改变系统参数,通过控制直流风机的占空比和延时,从而改变风机的速度 和时间。
方案比较
本节从直流风机型号与个数的选择,处理器选取方案,显示模块选取等方 面对设计进行论证。
方案一:DCBRUSHLESSFAN。此型号风机电压12V,,质量比较 轻,但是体积比较大,风力比较小,不足以带动自身的重量,在增加风机个数 时风机的运动轨迹不稳定,最大距离可达到 10cm。
方案二:9CRA0412P4K03。此风机电压12V,,,风 。这个风机的重量比较大,体积相对较小,风力足以带动自身,实 现了低消耗功率的噪音。经过多次测试,通过增加风机个数,可以达到预期的 距离。
直流风机个数的选择
方案一:采用两个风机作为动力系统。两个风机质量相对三个,四个风机 较小,控制也相对简单一点,考虑到发挥部分要求我们画圆,结合物理知识, 垂直摆放两个风机,使出风口成为直角 90°,这样比较接近理论部分画一个圆 的要求。此方案在风力摆的运动方向和快速静止较难实现。
方案二:采用三个风机作为动力系统。三个风机成等腰三角形,相对而 立,重心为等腰三角形的中点,系统稳定性较好。相对于方案 1,此系统画圆 时通过控制三个风机不同的占空比相更容易实现。
方案三:采用四个风机作为动力系统。从东南西北四个方向控制风速, 实现了方向可控,但也增加了系统自身的负重,使能够达到的最大距离减小。
方案一:采用C51处理器,价格低廉,学习资料比较多,易于自主的学 习,但芯片不是很丰富,自身拥有的资源不多,而且处理器速度较低,而风力 摆需要的控制精度非常高,51 单片机在外设资源上和运行速度上[2]就显得有点 不足了。
方案二:采用飞思卡尔32位K60芯片⑶,该芯片主要以ARM处理器的
Cortex-M4内核进行数据处理,K60体积小、低功耗、高性能,支持Thumb (16 位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件,而且内部资源丰 富,时钟可倍频到200M,运行速度相当快,能够在短时间内做出精确的控制。
方案选定
综合考虑,直流风机型号我们选择方案二,直流风机的个数我们选择方案二, 处理器我们选择方案二。
方案论证
该系统有风力摆模块,单片机控制模块、显示模块,电源模块、人机交互系统 等模块组合控制而成。其中单片机输出三路PWM波控制直流风机的转速,转动 的时间,从而驱动各风机使风力摆按照一定规律运动,拨码选择可以选择当前 所要完成的任务要求;液晶显示可以人性化适时提示和显示系统工作状态。
系统机械制作
本设计的系统机械制作包括风力摆支架设计,显示模块,底座结构,直流
风机的搭建等部分。
风力摆的支架选用的是钢管,固定性比较好,其中的弹性可以忽略不计,钢管 和碳素维杆通过万向节链接,下方悬挂一组直流风机。(见附件一图一)。
为了很人性化的显示操作状态,我们在整个系统中增加液晶显示模块和灯光提 示模块[4]。(见附件一图二)。
三个风机成等腰三角形,相对而立,重心为等腰三角形的中点。(见附件 一图三)。
核心系统控制模块
核心系统控制电路如图3所示。
图3最小系统控制模块
电源模块
、拨码开关、显示屏等子系 统供电。电源模块使用LEG-1117-[5]。电源模块原理图如 图4所示。
玉
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图 4 电源模块
系统软件设计
程序框图
系统控制图
测试方案与测试结果