發表於 2017-11-27 09:18:42
風力擺系統是一種利用風力作為動力對物體進行位置控制的擺動裝置控制系統。
在我國雖然目前還沒有系統的成品的銷售與應用，但這種控制理論已經應用於方方面面。目前的普遍問題是風力擺系統的自動控制水平不高。
風力擺系統由單片機控制模塊、姿態採集模塊、風力擺模塊、顯示模塊、獨立按鍵以及風力擺機械結構組成的。本文將簡單介紹一下風力擺的機械結構以及風機的選擇及組合方式。
風機組合1、使用兩個直流風機：直接將兩個直流風機固定在擺杆的下方，兩個直流風機成十字交叉狀如下圖所示。這種方式的優點在於負載輕、操作簡單，可以直接由兩個直流風機分別負責兩個軸上的擺動，不過風力擺的狀態微調和快速制動不易實現。
2、使用四個直流風機：用兩個矩形塑料板組成十字形，分別將四個直流風機放置在四個點上如下圖所示。每個軸上由兩個直流風機控制風力擺的擺動，可以很好地做到加速擺動與快速制動，能夠更容易的實現題目的要求。
綜上所述，因為四個直流風機的組合更容易擺動與快速制動，所以選擇方案2。
風機選擇本系統的風機選用空心杯電動機。
空心杯電動機屬於直流永磁的伺服、控制電動機，也可以將其歸類為微特電機。空心杯電動機具有突出的節能特性、靈敏方便的控制特性和穩定的運行特性，技術先進性十分明顯。作為高效率的能量轉換裝置，在很多領域代表了電動機的發展方向。空心杯電動機在結構上突破了傳統電機的轉子結構形式，採用的是無鐵芯轉子，也叫杯型轉子。這種新穎的轉子結構徹底消除了由於鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，同時其重量和轉動慣量大幅降低，從而減少了轉子自身的機械能損耗。由於轉子的結構變化而使電動機的運轉特性得到了極大改善，不但具有突出的節能特點，更為重要的是具備了鐵芯電動機所無法達到的控制和拖動特性。
空心杯電動機結構圖
1、節能特性能量轉換效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分產品可達到90%以上（鐵芯電動機一股在30-50%）。
2、控制特性起動、制動迅速，響應極快，機械時間常數小於28毫秒，部分產品可以達到1毫秒以內（普通電動機一般在100一200毫秒）在推薦運行區域內的高速運轉狀態下，可以對轉速進行靈敏的調節。
3、拖動特性運行穩定性十分可靠，轉速的波動很小，能夠容易的控制在2%以內。 另外，空心杯電動機的能量密度大幅度提高，與同等功率的鐵芯電動機相比，其重量、體積減輕1/3～1/2.由於空心杯電動機克服了鐵芯電動機不可逾越的技術障礙，而且其突出的特點集中在電動機的主要性能方面，使其具備了廣闊的應用領域。
電源供電1、使用單電源供電：這一電源將電能分別發送給電機部分和核心控制板部分，操作簡單。話說回來，空心杯電機轉動會給迴路帶來波動，如果產生回流會給主電路造成致命傷害。
2、使用雙電源：空心杯電路和主控電路分隔開，這兩部分的電分著發送，而且空心杯和驅動部分利用光耦。空心杯使用18V~3.3V可控電源模塊供電，主控制核心電路控制系統用另一個電源供電。此方案可確保系統的穩定性，且滿足了系統對供電需求。
綜合上述比較，考慮系統的安全性、穩定性，本系統採用方案2。
機械結構綜上所述本系統最終的外部結構是採用三角梁結構，萬向節固定在其頂部伸出的臂杆上，自由擺杆選取碳杆為材料，與萬向節嵌套在一起，自由擺的狀態是垂直向下。在自由擺杆的下方十字形擺放4颱風機。其中1、3號直流風機用來調節垂直於運動方向上的距離，使其擺動時偏差不超過允許範圍；2、4號直流風機同時運轉，但轉速不同，使風力擺向風速小的方向運動。風力擺無法直接運動到指定位置，所以需要多次擺動，每次到達最高點時將其推向另一側，最終使其實現擺動。擺杆選取碳杆是因為碳杆的強度較大，質量較輕，這樣可以大大減小風力擺的負擔，便於快速，陀螺儀平放在軸流風機的上方，很好地監測風力擺運動狀態。同時把雷射筆安裝在自由擺下方垂直向下。
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