風(fēng)力擺系統(tǒng)是一種利用風(fēng)力作為動力對物體進(jìn)行位置控制的擺動裝置控制系統(tǒng)。

　　在我國雖然目前還沒有系統(tǒng)的成品的銷售與應(yīng)用，但這種控制理論已經(jīng)應(yīng)用于方方面面。目前的普遍問題是風(fēng)力擺系統(tǒng)的自動控制水平不高。

　　風(fēng)力擺系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、姿態(tài)采集模塊、風(fēng)力擺模塊、顯示模塊、獨(dú)立按鍵以及風(fēng)力擺機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的。本文將簡單介紹一下風(fēng)力擺的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及風(fēng)機(jī)的選擇及組合方式。

　　風(fēng)機(jī)組合

　　1、使用兩個(gè)直流風(fēng)機(jī)：直接將兩個(gè)直流風(fēng)機(jī)固定在擺桿的下方，兩個(gè)直流風(fēng)機(jī)成十字交叉狀如下圖所示。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于負(fù)載輕、操作簡單，可以直接由兩個(gè)直流風(fēng)機(jī)分別負(fù)責(zé)兩個(gè)軸上的擺動，不過風(fēng)力擺的狀態(tài)微調(diào)和快速制動不易實(shí)現(xiàn)。

　　2、使用四個(gè)直流風(fēng)機(jī)：用兩個(gè)矩形塑料板組成十字形，分別將四個(gè)直流風(fēng)機(jī)放置在四個(gè)點(diǎn)上如下圖所示。每個(gè)軸上由兩個(gè)直流風(fēng)機(jī)控制風(fēng)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(shí)現(xiàn)題目的要求。

　　綜上所述，因?yàn)樗膫€(gè)直流風(fēng)機(jī)的組合更容易擺動與快速制動，所以選擇方案2。

　　風(fēng)機(jī)選擇

　　本系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)選用空心杯電動機(jī)。

　　空心杯電動機(jī)屬于直流永磁的伺服、控制電動機(jī)，也可以將其歸類為微特電機(jī)。空心杯電動機(jī)具有突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運(yùn)行特性，技術(shù)先進(jìn)性十分明顯。作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置，在很多領(lǐng)域代表了電動機(jī)的發(fā)展方向。空心杯電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫杯型轉(zhuǎn)子。這種新穎的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，同時(shí)其重量和轉(zhuǎn)動慣量大幅降低，從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械能損耗。由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)變化而使電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性得到了極大改善，不但具有突出的節(jié)能特點(diǎn)，更為重要的是具備了鐵芯電動機(jī)所無法達(dá)到的控制和拖動特性。

空心杯電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

　　1、節(jié)能特性能量轉(zhuǎn)換效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到90%以上（鐵芯電動機(jī)一股在30-50%）。

　　2、控制特性起動、制動迅速，響應(yīng)極快，機(jī)械時(shí)間常數(shù)小于28毫秒，部分產(chǎn)品可以達(dá)到1毫秒以內(nèi)（普通電動機(jī)一般在100一200毫秒）在推薦運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，可以對轉(zhuǎn)速進(jìn)行靈敏的調(diào)節(jié)。

　　3、拖動特性運(yùn)行穩(wěn)定性十分可靠，轉(zhuǎn)速的波動很小，能夠容易的控制在2%以內(nèi)。 另外，空心杯電動機(jī)的能量密度大幅度提高，與同等功率的鐵芯電動機(jī)相比，其重量、體積減輕1/3～1/2.由于空心杯電動機(jī)克服了鐵芯電動機(jī)不可逾越的技術(shù)障礙，而且其突出的特點(diǎn)集中在電動機(jī)的主要性能方面，使其具備了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　電源供電

電機(jī)驅(qū)動電路

　　1、使用單電源供電：這一電源將電能分別發(fā)送給電機(jī)部分和核心控制板部分，操作簡單。話說回來，空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)動會給回路帶來波動，如果產(chǎn)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(fā)送，而且空心杯和驅(qū)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(tǒng)用另一個(gè)電源供電。此方案可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且滿足了系統(tǒng)對供電需求。

　　綜合上述比較，考慮系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用方案2。

　　機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　綜上所述本系統(tǒng)最終的外部結(jié)構(gòu)是采用三角梁結(jié)構(gòu)，萬向節(jié)固定在其頂部伸出的臂桿上，自由擺桿選取碳桿為材料，與萬向節(jié)嵌套在一起，自由擺的狀態(tài)是垂直向下。在自由擺桿的下方十字形擺放4臺風(fēng)機(jī)。其中1、3號直流風(fēng)機(jī)用來調(diào)節(jié)垂直于運(yùn)動方向上的距離，使其擺動時(shí)偏差不超過允許范圍；2、4號直流風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速不同，使風(fēng)力擺向風(fēng)速小的方向運(yùn)動。風(fēng)力擺無法直接運(yùn)動到指定位置，所以需要多次擺動，每次到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)將其推向另一側(cè)，最終使其實(shí)現(xiàn)擺動。擺桿選取碳桿是因?yàn)樘紬U的強(qiáng)度較大，質(zhì)量較輕，這樣可以大大減小風(fēng)力擺的負(fù)擔(dān)，便于快速，陀螺儀平放在軸流風(fēng)機(jī)的上方，很好地監(jiān)測風(fēng)力擺運(yùn)動狀態(tài)。同時(shí)把激光筆安裝在自由擺下方垂直向下。