CN101286280A - 直线电机倒立摆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种倒立摆系统，特别涉及一种直线电机倒立摆，属于自动控制技术科研与教学实验装置的领域，提供一种结构简单、可靠性高、控制效果稳定的直线电机倒立摆，包括摆杆、电机驱动器及其控制系统，倒立摆杆通过转轴连接到底座上，底座直接固定在直线电机驱动平台上，底座一侧装有一级增量式角度编码器，另一侧与倒立摆杆一端的转轴螺纹连接，该系统具有位置和角度同时需要控制的特点，同时也克服了已有的旋转式倒立摆虽然简单但无直线位置反馈控制的缺点，是用于验证控制理论的实验平台，直线电机是一种新型动力机构，具有高速度、高精度、高加速度的直线电机来驱动倒立摆，结构简单合理，控制效果好；还可有四级或更多级形式的倒立摆。

Description

直线电机倒立摆

技术领域

本发明涉及一种倒立摆系统，特别涉及一种直线电机倒立摆，属于自动控制技术科研与教学实验装置的领域。

背景技术

倒立摆系统是一个非线性自然不稳定系统，是进行控制理论教学及开展各种控制策略的理想验证平台。倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性使得许多现代控制理论研究人员一直将它视为最佳的理论方法验证试验研究对象，不断从研究倒立摆控制中发掘出新的控制方法，并将其应用于航天科技和机器人学等各种高新科技领域。

在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及实际应用中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证。倒立摆就是这样一个被控制对象。倒立摆系统是一个多变量、快速、非线性和自然不稳定系统，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、系统的鲁棒性问题、随动问题、镇定问题及跟踪问题等。倒立摆系统作为一个实验装置，形象直观，结构简单，构件组成参数和形状易于改变，成本低廉。倒立摆系统的控制效果可以通过其稳定性直观地体现，也可以通过摆杆角度、小车位移和稳定时间直接度量。其实验效果直观、显著。当新的控制理论与方法出现后，可以用倒立摆对其正确性和实用性加以物理验证，并对各种方法进行快捷、有效、生动的比较。

传统的直线式倒立摆如附图1所示，它是将摆杆通过一个活动的“铰链”竖直安装在小车上，小车与传动机构相连，传动机构可以是多种形式，如：皮带和导轮组合，链条和导轮组合，齿轮齿条组合等。小车置于导轨上，由旋转伺服电机通过上述驱动机构驱动小车在导轨上做水平直线运动来控制摆杆的倒立。由于传动机构复杂、环节多，实践中常由于传动机构的故障误差而不是控制方法本身的问题导致实验失败，因而可靠性较低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的以上缺点，提供一种结构简单、可靠性高、控制效果稳定的直线电机倒立摆。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明的一种直线电机倒立摆，包括摆杆、电机驱动器及其控制系统，其中：倒立摆杆通过转轴连接在底座上，底座直接固定在直线电机驱动的平台上，转轴一侧装有一个一级增量式角度编码器，另一侧与倒立摆杆一端连接。

本发明所述的直线电机倒立摆，其中：在导轨上滑动的所述平台与直线电机的动子固定连接，直线电机定子为长条凹槽状，与导轨同方向设置，可带动平台沿导轨移动的所述动子有间隙地插在所述定子的长条凹槽内，所述定子的长条凹槽开口为水平方向，所述导轨为单根导轨。

本发明所述的直线电机倒立摆，其中：在导轨上滑动的所述平台与直线电机的动子固定连接，直线电机定子为长条形状，与导轨同方向设置、可带动平台沿导轨移动的所述动子有间隙地放置在所述定子的上方，所述导轨为双导轨。

本发明所述的直线电机倒立摆，其中：所述倒立摆杆为若干级摆杆组成，在前一级摆杆的自由端连接一个U型块，U型块上装有一个轴，轴的一端连有一个增量式角度编码器，另一端活动连接有次级摆杆。

本发明所述的直线电机倒立摆，其中：所述倒立摆杆为一级摆杆，由一级摆杆构成。

本发明所述的直线电机倒立摆，其中：所述倒立摆杆为二级摆杆，在一级摆杆的自由端连接一个U型块，U型块上装有一个轴，轴的一端连有一个二级增量式角度编码器，另一端活动连接有二级摆杆。

本发明所述的直线电机倒立摆，其中：所述倒立摆杆为三级摆杆，在二级摆杆的自由端连接一个U型块，U型块上装有一个轴，轴的一端连有一个三级增量式角度编码器，另一端活动连接有三级摆杆。

本发明所述的直线电机倒立摆，其中：在所述导轨和平台之间设置有直线位移测量装置套件，包括采集电机光栅信号和角度编码器信号的装置。

本发明所述的直线电机倒立摆，其中：采集电机光栅信号和角度编码器信号的装置与计算机控制卡连接，该卡内设有信号处理模块和计算模块，计算结果通过计算机转化为控制信号由计算机将控制信号送给控制卡及电机驱动器，电机驱动器按照控制卡内的控制信号驱动电机工作，控制摆杆位于竖直位置附近不倒。

本发明具有如下显著优点：

本发明采用具有高速度、高精度、高加速度的直线电机来驱动倒立摆，直线电机是一种新型的动力机构，不仅结构简单合理，而且有很好的控制效果；本发明直线电机倒立摆具有与现有直线式倒立摆一样的功能，即该系统具有位置和角度同时需要控制的特点，同时也克服了已有的旋转式倒立摆虽然简单，但无直线位置反馈控制的缺点，是一个很好的用于验证控制理论的实验平台。在本发明的直线电机倒立摆的基础上，还可以做成四级或更多级形式的倒立摆，其连接方式与一、二、三级摆杆的连接方式相同。

附图说明：

图1：表示本发明现有技术的直线式倒立摆的正面结构示意图。

图2：表示本发明的直线电机倒立摆的一级倒立摆正面结构示意图。

图3：表示本发明的直线电机倒立摆的一级倒立摆立体结构示意图。

图4：表示本发明的直线电机倒立摆的二级倒立摆立体结构示意图。

图5：表示本发明的直线电机倒立摆的二级倒立摆正面结构示意图。

图6：表示本发明的另一种直线电机倒立摆的二级倒立摆立体结构示意图。

图7：表示本发明的直线电机倒立摆的三级倒立摆立体结构示意图。

图8：表示本发明的直线电机倒立摆的三级倒立摆正面结构示意图。

图9：表示本发明的直线电机倒立摆的一级倒立摆工作流程图。

图10：表示本发明的直线电机倒立摆的二级倒立摆工作流程图。

图11：表示本发明的直线电机倒立摆的三级倒立摆工作流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种现有技术的直线式倒立摆的正面结构示意图，它是将摆杆4通过一个活动的“铰链”14竖直安装在小车10上，小车10固定在由旋转电机驱动的传动机构上，传动方式可以是多种形式如传动带11和导轮12组成的动力传递装置，也可以是链条和导轮组成的传递装置，或者是齿轮齿条等形式组成的传递装置，小车10置于导轨13上，由伺服电机9驱动传动带11、从而带动小车10在导轨13上做水平往复直线运动来控制摆杆的倒立。由于传动机构复杂、环节多，实践中常由于传动机构的故障误差而不是控制方法本身的问题导致实验失败，因而可靠性较低。

因此，本发明采用直线电机作为倒立摆的动力源，减小传动机构的误差，提高试验的可靠性，如图2所示，表示本发明的直线电机倒立摆的一级倒立摆正面结构示意图。与图1现有技术相比，本发明的一种直线电机倒立摆，包括摆杆4、电机驱动器及其控制系统(图中未示出)，在图2中，倒立摆杆4通过转轴3连接固定在底座2上，底座2直接固定在直线电机驱动的平台1上，转轴3一侧装有一个增量式角度编码器5，另一侧与倒立摆杆4一端连接。

如图3所示，表示本发明的直线电机倒立摆的一级倒立摆立体结构示意图，所述倒立摆杆4为一级摆杆，由一级倒立摆杆41构成，在直线电机驱动的平台1上固定有底座2，底座2一侧装有一个增量式角度编码器5，另一侧与倒立摆杆41一端的转轴3螺纹连接。在导轨13上滑动的所述平台1与直线电机的动子15固定连接，直线电机定子16为长条凹槽状或长条形状等，与导轨13同方向设置，可带动平台1沿导轨13移动的所述动子15有间隙地插在所述定子16的长条凹槽内，所述定子16的长条凹槽开口为水平方向；

另外，如图6所示，所述直线电机倒立摆的直线电机的结构形式还可以采用图6所示的结构形式，即在导轨23上滑动的所述平台1与直线电机的动子25固定连接，直线电机定子26为长条形状，与导轨23同方向设置，带动平台1沿导轨23移动的所述动子25有间隙的放置在长条形定子26上。

所述倒立摆杆4为若干级摆杆组成，即在前一级摆杆的自由端连接一个U型块6，U型块6上装有一个转轴3，转轴3的一端连有一个增量式角度编码器5，另一端活动连接有次级摆杆。

如图4和图5所示，所述倒立摆杆4可以为二级摆杆，在一级摆杆41的自由端连接一个U型块6，U型块6上装有一个转轴3，转轴3的一端连有一个二级增量式角度编码器7，另一端活动连接有二级摆杆42。

还有，如图7和图8所示，所述倒立摆杆4还可以为三级摆杆，在一级摆杆41的自由端连接一个U型块6，U型块6上装有一个转轴3，转轴3的一端连有一个二级增量式角度编码器7，另一端活动连接有二级摆杆42，在二级摆杆42的自由端连接一个U型块6，U型块6上装有一个转轴3，转轴3的一端连有一个三级增量式角度编码器7，另一端活动连接有三级摆杆43。

如图4所示，直线电机放置于实验台上，倒立摆底座2通过螺栓固定在直线电机驱动的平台1上，底座2上安装一个轴承用于支撑转轴3，转轴3的一端与角度编码器5连接，另一端通过螺纹与一级摆杆41连接，并通过螺母紧固；一级摆杆41的另一端通过螺纹连接一个U型块6，同样用螺母紧固，U型块6上安装二级摆杆42的轴，二级摆杆42的安装方式与一级摆相同；二级摆杆42的另一端通过转轴3连接一个U型块6，同样用螺母紧固，U型块6上安装三级摆杆43，三级摆杆43的安装方式与一、二级摆相同。为了减轻质量，U型块6中的轴承轴向定位均使用弹性挡圈，因为倒立摆装置上轴承承受很小的轴向力，因此也是合理的。一级摆杆41、二级摆杆42、三级摆杆43均采用铝合金制作，使其自身重量较小，例如：一级倒立摆中一级摆杆41尺寸可以采用：

又如：二级倒立摆中的一级摆杆41尺寸为：

二级摆杆42尺寸为：

又如：三级倒立摆中通常采用的一级摆杆41尺寸为：

二级摆杆42尺寸为：三级摆杆43尺寸为：

底座2和U型块6采用中碳钢制作，另外摆杆43经稍加改动即可成为可变重心的摆杆，从而可以使一些参数可变，适用于各种控制方法的需要。

在所述导轨13和平台1之间设置有直线位移测量装置套件，包括采集电机光栅信号和角度编码器信号的装置。采集电机光栅信号和角度编码器信号的装置与控制卡连接，该卡内设有信号处理模块和计算模块，计算结果通过计算机转化为控制信号由计算机将控制信号送给控制卡及电机驱动器，电机驱动器按照控制卡内的控制信号驱动电机工作，控制摆杆位于竖直位置附近不倒。底座2采用钢材料制成，摆杆4使用铝合金材料。

如图9、10、11所示，表示本发明的直线电机倒立摆的工作流程图，图9是一级倒立摆工作流程图；图10是二级倒立摆工作流程图；图11是三级倒立摆工作流程图。其工作原理与图9的一级倒立摆工作流程图的工作原理相类似，工作时，摆杆4与竖直方向的夹角可以通过摆杆4与摆杆4的安装轴固定的角度编码器测量并传递给控制卡，底座2的位置通过安装在直线电机上的光栅测量并传递给驱动器，然后再传递给控制卡，控制卡进行处理后再传递给计算机计算，计算机将经计算的数据再传递给控制卡和驱动器，驱动器驱动电机，从而实现对摆杆状态的控制。这里只是说了其中一种控制系统方案，用户还可以根据自己的已有条件来选用不同的控制系统方案(比如DSP、单片机、PLC等)。

如图9所示，表示本发明的直线电机倒立摆的一级倒立摆工作流程图。计算机与控制器连接，控制器与驱动器连接，驱动器与电机连接，电机控制摆角摆动以保持平衡，摆角的测量和位置的检测均通过直线位移测量装置套件实施，测量的结果通过位置检测装置和角度编码器反馈到控制器中，形成循环往复运动。经过反复测量、反复计算和反馈、反复调整，使一级倒立摆保持竖直不倒，同理通过二级倒立摆经过二次控制使二级倒立摆保持竖直不倒；同理通过三级倒立摆经过三次控制使三级倒立摆保持竖直不倒。

Claims (9)

1.一种直线电机倒立摆，包括摆杆、电机驱动器及其控制系统，其特征在于：倒立摆杆(4)通过转轴(3)连接在底座(2)上，底座2直接固定在直线电机驱动的平台1上，转轴3一侧装有一个增量式角度编码器5，另一侧与倒立摆杆(4)一端连接。

2.根据权利要求1所述的直线电机倒立摆，其特征在于：在导轨(13)上滑动的所述平台(1)与直线电机的动子(15)固定连接，直线电机定子(16)为长条凹槽状，与导轨(13)同方向设置，可带动平台(1)沿导轨(13)移动的所述动子(15)有间隙地插在所述定子(16)的长条凹槽内，所述定子(16)的长条凹槽开口为水平方向，所述导轨为单根导轨(13)。

3.根据权利要求1所述的直线电机倒立摆，其特征在于：在导轨(23)上滑动的所述平台(1)与直线电机的动子(25)固定连接，直线电机定子(26)为长条形状，与导轨(23)同方向设置、可带动平台(1)沿导轨(23)移动的所述动子(25)有间隙地放置在所述定子(26)的上方，所述导轨为两根的双导轨(23)。

4.根据权利要求1所述的直线电机倒立摆，其特征在于：所述倒立摆杆(4)为若干级摆杆组成，在前一级摆杆的自由端连接一个U型块(6)，U型块上装有一个转轴(3)，转轴(3)的一端连有一个增量式角度编码器(5)，另一端活动连接有次级摆杆。

5.根据权利要求4所述的直线电机倒立摆，其特征在于：所述倒立摆杆(4)为一级摆杆，由一级摆杆(41)构成。

6.根据权利要求4所述的直线电机倒立摆，其特征在于：所述倒立摆杆(4)为二级摆杆，在一级摆杆(41)的自由端连接一个U型块(6)，U型块上装有一个转轴(3)，转轴(3)的一端连有一个二级增量式角度编码器(7)，另一端活动连接有二级摆杆(42)。

7、根据权利要求4所述的直线电机倒立摆，其特征在于：所述倒立摆杆(4)为三级摆杆，在二级摆杆(42)的自由端连接一个U型块(6)，U型块上装有一个转轴(3)，转轴(3)的一端连有一个三级增量式角度编码器(7)，另一端活动连接有三级摆杆(43)。

8、根据权利要求1所述的直线电机倒立摆，其特征在于：在所述导轨和平台之间设置有直线位移测量装置套件，包括采集电机光栅信号和角度编码器信号的装置。

9、根据权利要求8所述的直线电机倒立摆，其特征在于：采集电机光栅信号和角度编码器信号的装置与计算机控制卡连接，该卡内设有信号处理模块和计算模块。

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