CN105608980B

CN105608980B - 一种直线电机倒立摆

Info

Publication number: CN105608980B
Application number: CN201610122738.4A
Authority: CN
Inventors: 赵韩; 于蓉蓉; 甄圣超; 黄康; 孙国强; 陈现敏; 邵可
Original assignee: Intelligent Manufacturing Institute of Hefei University Technology
Current assignee: Anhui Fusion Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2036-03-04
Also published as: CN105608980A

Abstract

本发明涉及倒立摆系统，特别涉及一种直线电机倒立摆系统。包括支撑座、导轨、直线电机、小车、角度编码器、线性编码器、摆杆和拖链。直线电机动子直接安装在小车上驱动小车移动，省去了中间的复杂机构和干扰，使控制更精确，倒立摆的最大行程可根据需要变化导轨的长度。底座和摆杆以及摆杆和摆杆之间均有固定连接机构，保证摆动过程中的稳固性。拖链为中空形式，通过铰链连接组成，材料为塑料，具有很好的柔性且对内置的线具有很好的保护作用。支撑座的两端安装有塑胶材料的防撞装置，小车在运动过程中与支撑座发生碰撞时，起到缓冲作用。将直线电机倒立摆系统设计成可拆卸的组件，提高了有效利用率。

Description

一种直线电机倒立摆

技术领域

本发明属于自动控制技术的科研与教学实验装置领域，具体涉及一种直线电机驱动的倒立摆。

背景技术

在动力学和控制领域倒立摆系统是一个经典的实验装置，是检验控制方法有效的平台，由于倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统，而且由于它在控制过程中，能有效反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多关键问题，因此人们常常利用倒立摆检验各种控制算法对不稳定性、非线性和快速系统的控制能力，以及各种控制算法的有效性。而多级摆控制是控制领域研究的难点。

传统的倒立摆系统基本上是采用旋转伺服电机驱动，通过钢丝绳或皮带等传动机构，将电机的旋转运动转化成直线运动，驱动导轨上的小车运动，以控制倒立摆倒立平衡。因传动过程中会有摩擦和间隙，而柔性带传动会有带的振动、伸缩以及延迟，使控制系统中混杂有较大的噪声和高频干扰。由于这些干扰，很难建立精确的数学模型，并且影响控制算法的验证和不同算法间的评估。因此旋转电机对倒立摆系统的设计没有益处。同时，传统倒立摆的驱动方式决定了系统的速度和加速度都比较低，无法适应高响应速度的控制实验。

目前，已有关于直线电机倒立摆的研究，例如一种直线电机倒立摆采用直线电机和其他组件来组成直线电机倒立摆。但是，其中的直线电机和各组件以及各组件之间的具体连接方式和不同工作状态下各组件的位置姿态情况没有详细表述。

倒立摆系统是一个复杂系统，可完成各种复杂实验，正因为其复杂，传统上二级及二级以上倒立摆多为演示性实验，其有效利用率很低。

发明内容

为解决现有倒立摆系统中存在的缺陷，本发明设计了一种新型的直线电机倒立摆。

一种直线电机倒立摆包括一对支撑座1、导轨2、直线电机、小车5、角度编码器、线性编码器7、摆杆和拖链15；其中角度编码器和摆杆构成摆杆机构；

所述导轨2为U形槽钢状，两端分别固定在一对支撑座1上，且导轨2的槽口位于垂直方向的一侧；所述小车5为倒U形块状，小车5跨设在导轨2上，第一角度编码器6通过底座8固定设于小车5的顶部，摆杆的一端连接着第一角度编码器6；

直线电机定子3均布在导轨2的槽口内上下两侧的水平内壁上，直线电机动子4的一端固定设于小车5的一侧直立内壁上，直线电机动子4的另一端配合位于导轨2的槽口内，且与直线电机定子3相对应；

小车5的另一侧直立内壁上设有线性编码器7，导轨2槽口对应的垂直方向的另一侧外部设有磁栅22，磁栅22和线性编码器7相对应；

所述拖链15的一端固定连接着小车5。

进一步限定的技术方案如下：

所述直线电机为无铁芯永磁同步直线电机。

所述摆杆机构为一级摆杆机构，包括第一角度编码器6、第一连接机构和第一摆杆91，第一摆杆91的长度为0.14～0.2m；

所述第一连接机构由第一环形支座10和第一连接轴11组成，第一连接轴11呈水平状插装在第一环形支座10的支座孔内，第一连接轴11的一端固定连接着第一角度编码器6的输出轴，另一端固定连接着第一摆杆91的一端。

所述摆杆机构为二级摆杆机构；包括第一角度编码器6、第二角度编码器12、第一连接机构、第二连接机构、第一摆杆91和第二摆杆92，第一摆杆91的长度为0.14～0.2m，第一摆杆91和第二摆杆92的长度比为1.7；

所述第一连接机构由第一环形支座10和第一连接轴11组成，第一连接轴11呈水平状插装在第一环形支座10的支座孔内，第一连接轴11的一端固定连接着第一角度编码器6的输出轴，另一端固定连接着第二摆杆92的一端；

所述第二连接机构由第二环形支座13和第二连接轴14组成，第二连接轴14呈水平状插装在第二环形支座13的支座孔内，第二连接轴14的一端固定连接着第二角度编码器12的输出轴，另一端固定连接着第一摆杆91的一端；

第二环形支座13的圆周处连接着第二摆杆92的另一端。

所述导轨2的顶部设有小导轨21，小导轨21长度方向的两侧设有浅槽，与小导轨21对应的小车5的内侧顶部设有槽钢状的固定板53，固定板53的槽口内两侧面上分别设有凸条；固定板53的槽口内两侧面上的凸条和小导轨21上的浅槽相互配合，保证小车5沿导轨2直线移动。

所述拖链15的下方设有长条状的拖链盘16，所述拖链盘16的两端分别固定在一对支撑座1上，拖链15的水平部分位于拖链盘16内；

所述拖链15呈U形状，是中空的，其内用于放置电机线、霍尔线、磁栅线19，所述拖链15的材料为塑料，具有很好的柔性。

直线电机动子4的一端通过U形支座51固定设于小车5的一侧直立内壁上，所述直线电机动子4的一端为T形端，所述U形支座51上设有T形槽，直线电机动子4的T形端和U形支座51的T形槽配合连接。

所述线性编码器7通过支板52固定设于小车5的另一侧直立内壁上。

所述拖链15的一端通过L形的连接板17固定连接着小车5直线运行方向的一端。

与小车5对应的一对支撑座1的内侧分别安装有防撞块18，防撞块18的材料为橡胶。

本发明的有益技术效果体现在下述几个方面：

（1）本发明的驱动装置采用无铁芯永磁同步直线电机，有效克服了传统倒立摆因传动机构而引入的间隙、摩擦、延迟、噪声等干扰。而且可根据直线电机倒立摆的行程需求变化导轨的长度，最大行程是不受限制的。

（2）本发明中直线电机定子安装在U形槽钢状直线导轨内上下两侧的水平内壁上，直线电机动子安装在移动的小车上，且安装在小车上的线性编码器与直线导轨背侧的磁栅进行配合，可以精确检测到小车的位移信号。

（3）本发明中第一连接机构通过底座固定在小车上，摆杆通过第一连接轴、第一环形支座与第一角度编码器连接，使得连接部分更加紧固，防止摆动过程中产生移动。

（4）本发明中第一摆杆和第二摆杆通过第二连接轴、第二环形支座与第二角度编码器连接，使得连接部分紧凑，减小空间。

（5）本发明中固定安装有中空形式的铰链连接组成的拖链，材料为塑料，使其具有很好的柔性，且能很好地保护拖链中放置的电机线、霍尔线、磁栅线，防止在运动过程中这些线对机构的运动造成干涉和影响。

（6）本发明中支撑座的两端安装有塑胶材料的防撞装置，防止小车在运动过程中与支撑座直接碰撞，起到缓冲作用，保护支撑座和小车。

（7）本发明将直线电机倒立摆设计成可拆卸的组件，装有一级摆杆机构即为一级倒立摆，装有二级摆杆机构即为二级倒立摆，卸下摆杆机构即为通用的直线电机驱动创新实验平台。在这一层次上，可完成各种基础性实验，可以设计各种控制器和修改控制参数，可为广大学生使用，而不单单是简单的演示性实验。

附图说明

图1为本发明直线电机倒立摆的一级摆在摆起平衡状态下的结构示意图；

图2为本发明直线电机倒立摆中直线电机的装配图；

图3为图2的剖视图；

图4为本发明直线电机倒立摆中第一摆杆与第一角度编码器的装配图；

图5为图4的剖视图；

图6为小车与拖链的装配示意图；

图7为本发明直线电机倒立摆的一级摆在自由状态下的结构示意图；

图8为本发明直线电机倒立摆的一级摆在起摆过程中摆杆呈水平状的结构示意图；

图9为本发明直线电机倒立摆的一级摆在起摆过程中摆杆呈斜状的结构示意图；

图10为本发明直线电机倒立摆的二级摆在摆起平衡状态下的结构示意图；

图11为图10中第一摆杆、第二摆杆与第二角度编码器的装配示意图；

图12为图11的剖视图；

图13为本发明直线电机倒立摆的二级摆在自由状态下的结构示意图。

上图中序号：支撑座1，导轨2，小导轨21，磁栅22，直线电机定子3，直线电机动子4，小车5，U形支座51，支板52，固定板53，第一角度编码器6，第一角度编码器输出线61，线性编码器7，底座8，摆杆9，第一摆杆91，第二摆杆92，第一环形支座10，第一连接轴11，第二角度编码器12，第二角度编码器输出线121，第二环形支座13，第二连接轴14，拖链15，拖链盘16，连接板17，防撞块18，电机线、霍尔线、磁栅线19。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

参见图1，一种直线电机倒立摆包括一对支撑座1、导轨2、直线电机、小车5、第一角度编码器6、线性编码器7、第一摆杆91、第一连接机构和拖链15；其中，直线电机为无铁芯永磁同步直线电机，第一角度编码器6、第一连接机构和第一摆杆91构成一级摆杆机构。第一摆杆91的长度为0.17m。

参见图2和图3，导轨2为U形槽钢状，两端分别固定在一对支撑座1上，且导轨2的槽口位于垂直方向的一侧。小车5为倒U形块状，小车5跨装在导轨2上，第一角度编码器6通过底座8固定安装于小车5的顶部，摆杆的一端连接着第一角度编码器6。

参见图3，导轨2的顶部安装有小导轨21，小导轨21长度方向的两侧开设有浅槽，与小导轨21对应的小车5的内侧顶部安装有槽钢状的固定板53，固定板53的槽口内两侧面上分别设有凸条；固定板53的槽口内两侧面上的凸条和小导轨21上的浅槽相互配合，保证小车5沿导轨2直线移动。

参见图2，直线电机定子3均布在导轨2的槽口内上下两侧的水平内壁上。直线电机动子4的一端通过U形支座51固定安装于小车5的一侧直立内壁上，参见图3，直线电机动子4的一端为T形端，U形支座51上开设有T形槽，直线电机动子4的T形端和U形支座51的T形槽配合连接。直线电机动子4的另一端配合位于导轨2的槽口内，且与直线电机定子3相对应。

由图3可见，小车5的另一侧直立内壁上通过支板52安装有线性编码器7，导轨2槽口对应的垂直方向的另一侧外部安装有磁栅22，磁栅22和线性编码器7相对应；

参见图8和图6，拖链15呈U形状，是中空的，其内用于放置电机线、霍尔线和磁栅线19，拖链15的材料为塑料，具有很好的柔性；拖链15对放置在内的电机线、霍尔线和磁栅线19具有保护作用。拖链15的一端通过L形的连接板17固定连接着小车5直线运行方向的一端。拖链15的下方安装有长条状的拖链盘16，拖链盘16的两端分别固定在一对支撑座1上，拖链15的水平部分位于拖链盘16内。

由图4和图5可见，一级摆杆机构包括第一角度编码器6、第一连接机构和第一摆杆91，第一摆杆91的长度为0.17m。第一连接机构由第一环形支座10和第一连接轴11组成，第一连接轴11呈水平状插装在第一环形支座10的支座孔内，第一连接轴11的一端固定连接着第一角度编码器6的输出轴，另一端固定连接着第一摆杆91的一端。

由图1可见，与小车5对应的一对支撑座1的内侧分别安装有防撞块18，防撞块18的材料为橡胶。

一级摆杆机构的工作原理说明如下：

参见图7，为直线电机倒立摆的一级摆在自由状态下的结构示意图。一级摆杆机构可以实现自动起摆的过程，在起摆过程中的结构示意图分别如图8、9所示，直线电机驱动小车来回移动，带动摆杆来回摆动，并带动拖链15在拖链盘16中来回移动，保证不干扰其他组件的正常运行，摆杆到达平衡位置附近的一定范围时，即可通过控制器自动调节摆杆在平衡位置附近摆动，平衡状态示意图参见图1。

在起摆和平衡过程中可以通过第一角度编码器6检测到角度信号，并通过第一角度编码器输出线61输出角度信号，通过线性编码器7检测到位移信号，并通过磁栅线输出位移信号。

实施例2

参见图10和图13，一种直线电机倒立摆包括一对支撑座1、导轨2、直线电机、小车5、第一角度编码器6、线性编码器7、第二角度编码器12、第一摆杆91、第二摆杆92、第一连接机构、第二连接机构和拖链15。第一角度编码器6、第二角度编码器12、第一连接机构、第二连接机构、第一摆杆91和第二摆杆92构成二级摆杆机构。第一摆杆91的长度为0.17m，第二摆杆92的长度为0.1m。

由图11和图12可见，第一连接机构的结构同实施例1，第一连接轴11的一端固定连接着第一角度编码器6的输出轴，另一端固定连接着第二摆杆92的一端。第二连接机构由第二环形支座13和第二连接轴14组成，第二连接轴14呈水平状插装在第二环形支座13的支座孔内，第二连接轴14的一端固定连接着第二角度编码器12的输出轴，另一端固定连接着第一摆杆91的一端；第二环形支座13的圆周处连接着第二摆杆92的另一端。

二级摆杆机构的工作原理说明如下：

参见图11，所述第二角度编码器12，第二环形支座13，第二连接轴14与第二摆杆92的连接可以作为一个整体部件，平时不进行拆卸，只在进行更换新零件时进行拆卸。

由一级倒立摆改成二级倒立摆时将第一摆杆91取下，将该整体部件中第二摆杆92的另一端与第一连接轴11的一端连接，并将该整体部件中第二连接轴14的一端与第一摆杆91的一端相连。

二级摆杆机构在运行过程中，首先手动将摆杆扶起到平衡位置附近，此时打开直线电机开关，直线电机驱动小车来回移动，保证摆杆平衡位置附近摆动，平衡状态示意图参见图10。

本发明的直线电机倒立摆为可拆卸的组件，装有一级摆杆机构即为一级倒立摆，装有二级摆杆机构即为二级倒立摆，卸下摆杆机构即为通用的直线电机驱动创新实验平台。在这一层次上，可完成各种基础性实验，可以设计各种控制器和修改控制参数，可为广大学生使用，而不单单是简单的演示性实验。

直线电机倒立摆可以安装最多四个摆杆组件，上端摆杆组件之间的连接方式与二级倒立摆中第一摆杆91与第二摆杆92的连接方式一致。

Claims

1.一种直线电机倒立摆，其特征在于：

包括一对支撑座（1）、导轨（2）、直线电机、小车（5）、角度编码器、线性编码器（7）、摆杆和拖链（15）；其中角度编码器和摆杆构成摆杆机构；

所述摆杆机构为一级摆杆机构，包括第一角度编码器（6）、第一连接机构和第一摆杆（91），第一摆杆（91）的长度为0.14～0.2m；

所述第一连接机构由第一环形支座（10）和第一连接轴（11）组成，第一连接轴（11）呈水平状插装在第一环形支座（10）的支座孔内，第一连接轴（11）的一端固定连接着第一角度编码器（6）的输出轴，另一端固定连接着第一摆杆（91）的一端；

所述导轨（2）为U形槽钢状，两端分别固定在一对支撑座（1）上，且导轨（2）的槽口位于垂直方向的一侧；所述小车（5）为倒U形块状，小车（5）跨设在导轨（2）上，第一角度编码器（6）通过底座（8）固定设于小车（5）的顶部，摆杆的一端连接着第一角度编码器（6）；

所述导轨（2）的顶部设有小导轨（21），小导轨（21）长度方向的两侧设有浅槽，与小导轨（21）对应的小车（5）的内侧顶部设有槽钢状的固定板（53），固定板（53）的槽口内两侧面上分别设有凸条；固定板（53）的槽口内两侧面上的凸条和小导轨（21）上的浅槽相互配合，保证小车（5）沿导轨（2）直线移动；

直线电机定子（3）均布在导轨（2）的槽口内上下两侧的水平内壁上，直线电机动子（4）的一端通过U形支座（51）固定设于小车（5）的一侧直立内壁上，所述直线电机动子（4）的一端为T形端，所述U形支座（51）上设有T形槽，直线电机动子（4）的T形端和U形支座（51）的T形槽配合连接，直线电机动子（4）的另一端配合位于导轨（2）的槽口内，且与直线电机定子（3）相对应；

小车（5）的另一侧直立内壁上设有线性编码器（7），导轨（2）槽口对应的垂直方向的另一侧外部设有磁栅（22），磁栅（22）和线性编码器（7）相对应；

所述拖链（15）的一端固定连接着小车（5）；所述拖链（15）呈U形状，是中空的，其内用于放置电机线、霍尔线、磁栅线（19），所述拖链（15）的材料为塑料，具有很好的柔性；

所述拖链（15）的下方设有长条状的拖链盘（16），所述拖链盘（16）的两端分别固定在一对支撑座（1）上，拖链（15）的另一端位于拖链盘（16）内。

2.一种直线电机倒立摆，其特征在于：

所述摆杆机构为二级摆杆机构；包括第一角度编码器（6）、第二角度编码器（12）、第一连接机构、第二连接机构、第一摆杆（91）和第二摆杆（92），第一摆杆（91）的长度为0.14～0.2m，第一摆杆（91）和第二摆杆（92）的长度比为1.7；

所述第一连接机构由第一环形支座（10）和第一连接轴（11）组成，第一连接轴（11）呈水平状插装在第一环形支座（10）的支座孔内，第一连接轴（11）的一端固定连接着第一角度编码器（6）的输出轴，另一端固定连接着第二摆杆（92）的一端；

所述第二连接机构由第二环形支座（13）和第二连接轴（14）组成，第二连接轴（14）呈水平状插装在第二环形支座（13）的支座孔内，第二连接轴（14）的一端固定连接着第二角度编码器（12）的输出轴，另一端固定连接着第一摆杆（91）的一端；

第二环形支座（13）的圆周处连接着第二摆杆（92）的另一端；

3.根据权利要求1或2所述的一种直线电机倒立摆，其特征在于：所述直线电机为无铁芯永磁同步直线电机。

4.根据权利要求1或2所述的一种直线电机倒立摆，其特征在于：

所述线性编码器（7）通过支板（52）固定设于小车（5）的另一侧直立内壁上。

5.根据权利要求1或2所述的一种直线电机倒立摆，其特征在于：

所述拖链（15）的一端通过L形的连接板（17）固定连接着小车（5）直线运行方向的一端。

6.根据权利要求1或2所述的一种直线电机倒立摆，其特征在于：与小车（5）对应的一对支撑座（1）的内侧分别安装有防撞块（18），防撞块（18）的材料为橡胶。