CN202711068U - 一种倒立摆系统控制电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种倒立摆系统控制电路，包括电源接入模块、鉴相器模块、计数器模块、控制器模块以及双电机驱动模块，由电源接入模块供电，分别输入至鉴相器模块、计数器模块，各信号传送至控制器模块，控制器模块将计算的控制信号输出至双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机。本实用新型为一种用于控制装置控制电机的转向和转速的倒立摆系统控制电路，其应用的倒立摆系统设备简单，使用方便，成本相对较低，适用于控制理论的学习研究和实践，为广大控制理论学习者提供一个良好的实验平台，为深入研究控制理论提供一个完美的研究对象。
Description
技术领域
本实用新型涉及自动控制技术领域，特别涉及一种倒立摆系统控制电路。
背景技术
倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是控制领域内的经典研究对象，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。
倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。摆杆为受控对象，通过控制装置控制电机的转向和转速进而控制小车的移动，使得摆杆始终保持在竖直方向的位置。现有技术中，能够用于相关控制实验和研究的控制平台较少，仅有少数可购买的实验平台，设备复杂，价格昂贵，特别是控制装置的控制电路较为复杂，给研究操作人员带来较大的不便，不利于有效推广。因此，一直以来有关倒立摆系统的学习研究大多集中于理论仿真的范畴。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种用于控制装置控制电机的转向和转速的倒立摆系统控制电路。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种倒立摆系统控制电路，包括电源接入模块、鉴相器模块、计数器模块、控制器模块以及双电机驱动模块，由电源接入模块供电，分别输入至鉴相器模块、计数器模块，各信号传送至控制器模块，控制器模块将计算的控制信号输出至双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机。
本实用新型的控制电路由电源接入模块供电，鉴相器模块用于判断当前摆杆倒向的方向和小车偏离原点的方向，将相应的信号传送给控制器模块。计数器模块用于计数小车的位移脉冲，将计数的编码值直接传送到控制器模块。控制器模块不停的读取系统各状态物理量的测量值并使用相应的控制算法计算控制输出，将计算所得的PWM控制信号输出到双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机，进而控制电机的转向和转速，通过电机控制小车状态。
在一个实施方式中，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有无线通信模块，与计算机进行实时大量的数据交互，用于控制参数传输和系统状态监测。
在一个实施方式中，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有电源检测与电量指示模块，将电源电压分压、采样、隔离、检测并通过控制电源指示灯显示相应的电量状态。
在一个实施方式中，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有系统模式选择与设置模块，使用拨码键盘等进行模式设置，每个按键对应一个指示灯用于指示当前的选择状态。每个拨码按键的功能已被预定义，根据意愿选择和设置模式。
在一个实施方式中，所述电源接入模块设有线性稳压芯片LM2940，系统各模块需要不同电压，比如控制器模块需要﹢5V电压，双电机驱动模块需要﹢12V电压，因此需要分别供电并做好电气隔离。线性稳压芯片将﹢12V电压稳压至﹢5V电压，供电给控制器模块等。
在一个实施方式中，所述鉴相器模块使用D触发器SN74HC74N，鉴相器模块设计成双相编码脉冲的鉴相器模块，用于判断当前摆杆倒向的方向和小车偏离原点的方向，并将相应的信号传送给控制器模块。
在一个实施方式中，所述计数器模块使用CD4520，用于计数小车的位移脉冲，将计数的编码值直接传送到控制器模块。
在一个实施方式中，所述双电机驱动模块使用半桥集成芯片BTS7970。使用半桥集成芯片BTS7970搭建H桥的驱动电路，通过控制器模块输出的PWM控制信号控制电机的转向和转速，进而控制小车的状态。
在一个实施方式中，所述无线通信模块为CC1100无线通信模块，能与计算机进行实时大量的数据交互，主要用作在线控制模式下的控制参数传输和系统状态监测。
在一个优选实施方式中，所述控制器模块为单片机MC9S12XS128，主要完成模式和状态的外部设置值读取，部分状态指示的显示，各物理量的测量值读入，PWM控制信号的输出等。
本实用新型的有益效果是：本实用新型为一种用于控制装置控制电机的转向和转速的倒立摆系统控制电路，其应用的倒立摆系统设备简单，使用方便，成本相对较低，适用于控制理论的学习研究和实践，为广大控制理论学习者提供一个良好的实验平台，为深入研究控制理论提供一个完美的研究对象。
附图说明
图1是本实用新型的电路图。
图2是本实用新型应用的倒立摆系统的部分结构示意图。
图中省略了与本实用新型设计要点无关的其他部件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本实用新型做进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型的一种倒立摆系统控制电路，包括电源接入模块、鉴相器模块、计数器模块、控制器模块以及双电机驱动模块，由电源接入模块供电，分别输入至鉴相器模块、计数器模块，各信号传送至控制器模块，控制器模块将计算的控制信号输出至双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机。电源接入模块与控制器模块之间设有无线通信模块、电源检测与电量指示模块以及系统模式选择与设置模块。
控制电路的工作原理为：
电源接入模块：该模块主要为系统提供电源，系统各模块需要不同电压，比如控制器模块需要﹢5V电压，双电机驱动模块需要﹢12V电压，因此需要分别供电并做好电气隔离。本实施例中，使用线性稳压芯片LM2940将﹢12V电压稳压至﹢5V电压，供电给控制器模块等。
电源检测与电量指示模块：该模块将电源电压分压、采样、隔离、检测并通过控制电源指示灯显示相应的电量状态。所用的主要器件为分压电阻、电压采样传感器、发光二极管等。
系统模式选择与设置模块：系统设有离线控制和在线控制两种模式。离线模式下不需要计算机，直接使用系统自存参数实现控制（包括手动上摆和自动上摆），能用于演示。在线模式即通过计算机的人机交互平台实现控制参数的实时传输和状态量的实时监测。该模块使用拨码键盘等进行模式设置，每个按键对应一个指示灯用于指示当前的选择状态。每个拨码按键的功能已被预定义，根据意愿选择和设置模式。
无线通信模块：本实施例中，使用CC1100无线通信模块，能与计算机进行实时大量的数据交互，主要用作在线控制模式下的控制参数传输和系统状态监测。
鉴相器模块：本实施例中，使用D触发器SN74HC74N设计成双相编码脉冲的鉴相器模块，用于判断当前摆杆倒向的方向和小车偏离原点的方向，并将相应的信号传送给控制器模块。
计数器模块：本实施例中，使用CD4520，用于计数小车的位移脉冲，将计数的编码值直接传送到控制器模块。
控制器模块：本实施例中，使用单片机MC9S12XS128，主要完成模式和状态的外部设置值读取，部分状态指示的显示，各物理量的测量值读入，PWM控制信号的输出等。
双电机驱动模块：使用半桥集成芯片BTS7970搭建H桥的驱动电路，通过控制器模块输出的PWM控制信号控制电机的转向和转速，进而控制小车的状态。
本实用新型以单片机MC9S12XS128为核心，单片机在初始时刻会读取模式外部设置值并选择进入相应的控制模式。控制过程中，单片机会不停的读取系统各状态物理量的测量值并使用相应的控制算法计算控制输出。单片机将计算所得的PWM控制信号输出到双电机驱动模块进而控制电机的转向和转速，通过电机控制小车状态。
如图2所示，本实用新型应用的倒立摆系统，包括摆杆101、角度测量编码器102、位移测量编码器103、两个电机104、小车和控制装置（未示出），所述摆杆101、角度测量编码器102、位移测量编码器103均安装在小车的车体平台105上，摆杆101的前后各设有弹片106，两个电机104分别驱动小车的两个后轮107，小车的前轮108支撑车体平台105的平衡和移动，所述控制装置控制电机104的转向和转速。
本实用新型应用的倒立摆系统主要实现一个基于移动小车的一级倒立摆实时控制与监测系统，摆杆101为受控对象，通过控制装置控制电机104的转向和转速进而控制小车的移动，使得摆杆101始终保持在竖直方向的位置。角度测量编码器102用于测量摆杆偏离竖直方向的角度，位移测量编码器103用于测量小车的位移。控制过程中，当摆杆101受到一定的扰动（如用手轻触摆杆或在摆杆顶端加适量重物），由于摆杆前后各设有弹片106，摆杆101能够快速的恢复到稳定状态，系统具有良好的稳定性和适应性。同时能实现自动起摆控制，即初始时刻不需要手动扶正摆杆101，借助弹片106自动捕捉零点位置。此外，弹片106还能保护系统，避免摆杆101落下损坏。
本实用新型为一种用于控制装置控制电机的转向和转速的倒立摆系统控制电路，其应用的倒立摆系统设备简单，使用方便，成本相对较低，适用于控制理论的学习研究和实践，为广大控制理论学习者提供一个良好的实验平台，为深入研究控制理论提供一个完美的研究对象。
以上仅为本实用新型的优选实施例，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1. 一种倒立摆系统控制电路，其特征在于，包括电源接入模块、鉴相器模块、计数器模块、控制器模块以及双电机驱动模块，由电源接入模块供电，分别输入至鉴相器模块、计数器模块，各信号传送至控制器模块，控制器模块将计算的控制信号输出至双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机。
2. 根据权利要求1所述的倒立摆系统控制电路，其特征在于，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有无线通信模块。
3. 根据权利要求1所述的倒立摆系统控制电路，其特征在于，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有电源检测与电量指示模块。
4. 根据权利要求1所述的倒立摆系统控制电路，其特征在于，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有系统模式选择与设置模块。
5. 根据权利要求1所述的倒立摆系统控制电路，其特征在于，所述电源接入模块设有线性稳压芯片LM2940。
6. 根据权利要求1所述的倒立摆系统控制电路，其特征在于，所述鉴相器模块使用D触发器SN74HC74N。
7. 根据权利要求1所述的倒立摆系统控制电路，其特征在于，所述计数器模块使用CD4520。
8. 根据权利要求1所述的倒立摆系统控制电路，其特征在于，所述双电机驱动模块使用半桥集成芯片BTS7970。
9. 根据权利要求2所述的倒立摆系统控制电路，其特征在于，所述无线通信模块为CC1100无线通信模块。
10. 根据权利要求1至9任一项所述的倒立摆系统控制电路，其特征在于，所述控制器模块为单片机MC9S12XS128。
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