CN203658789U

CN203658789U - 一种一级倒立摆的控制装置

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Publication number: CN203658789U
Application number: CN201320676749.9U
Authority: CN
Inventors: 李远禄; 刘春辉; 许超; 肖寅; 潘畅
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2023-10-30

Abstract

本实用新型公开了一种一级倒立摆的控制装置，包括中央处理模块、电源模块、伺服电机模块、编码器数据采集模块和限位开关；所述中央处理模块分别与编码器数据采集模块和伺服电机模块相连；限位开关与伺服电机模块相连；所述电源模块分别与伺服电机模块和中央处理模块相连。本实用新型提供的基于贝加莱PLC的一级倒立摆控制装置，克服了倒立摆装置不完备、质量不高的缺点。具有自动代码生成，节省开发周期、系统仿真测试可直接应用于控制器、更加注重学生的动手能力的培养、机器的改型设计更加简单等优点。

Description

一种一级倒立摆的控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种一级倒立摆的控制装置，具体涉及一种基于贝加莱PLC的一级倒立摆控制装置。

背景技术

目前，随着控制理论的不断发展，一些智能的控制算法需要得到某个实验对象的精确验证。目前在各大高校中，大部分采用倒立摆系统来验证各种理论的准确性。倒立摆作为被控对象具有高阶次、不稳定、非线性等特点。在市面上倒立摆按级数可分为：一级、二级、多级等。按其运动形式可分为：悬挂式倒立摆、平行式倒立摆、环形倒立摆和平面倒立摆等。按控制电机又可分为：单电机和多级电机。目前倒立摆的研究主要集中在亚洲，如中国的北京师范大学、北京航空航天大学、中国科技大学、日本的东京工业大学、东京电机大学、东京大学、韩国的釜山大学、忠南大学，此外，俄罗斯的圣彼得堡大学、美国的东福罗里达大学、俄罗斯科学院、波兰的波兹南技术大学、意大利的佛罗伦莎大学也都对这个领域有持续的研究。近年来，虽然各种新型倒立摆不断问世，但基本上都采用香港固高公司和加拿大Quanser公司生产的系统，其编程语言一般都比较复杂，固高公司的Matlab编程语言不方便学生进行二次开发。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种新型的基于Powerlink通信的一级倒立摆控制装置。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种一级倒立摆的控制装置，包括中央处理模块、电源模块、伺服电机模块、编码器数据采集模块和限位开关；所述中央处理模块分别与编码器数据采集模块和伺服电机模块相连；所述限位开关与所述伺服电机模块相连；所述电源模块分别与伺服电机模块和中央处理模块相连。

各设备具体特征如下：

1、中央处理模块：该模块是整个倒立摆系统工作的核心，主要采用的是贝加莱公司的X20CP1484模块。该模块同时控制着编码器数据采集模块X20DC1976、伺服电机模块80VD100PD.C022-1之间协调工作。

2、编码器数据采集模块：该模块主要由瑞普编码器ZSP3806-003G-100B21-5F型号和贝加莱公司的X20DC1976编码器数字量计数模块构成，主要负责倒立摆摆头角度位置的数据采集，X20DC1976将采集到的编码器角度位置数据传送给中央处理模块X20CP1484，中央处理模块将编码器角度位置数据进行数据处置之后，控制着整个系统的协调工作工作。

3、伺服电机模块：该模块主要包括贝加莱公司的80LVA22.R001D100-0和80LVA23.R001D100-0两种伺服电机以及80VD100PD.C022-01伺服电机驱动模块。（其中伺服电机驱动模块80VD100PD.C022-01见贝加莱公司的技术说明）主要功能为：伺服电机80LVA22.R001D100-0力矩较小主要安放在平面倒立摆Y轴的最右端，主要控制平面倒立摆Y轴导轨的运动，伺服电机80LVA23.R001D100-0安放在平面倒立摆X轴的最右端，主要控制平面倒立摆X轴导轨的运动，该型号的伺服电机力矩较大，其中伺服电机驱动模块的Enable管脚和限位开关相连。

4、电源模块：电源模块主要负责整个系统的能量供给，包括24-80V和24V的直流电源输出模块。24-80V直流电源模块采用贝加莱公司的80PS080X3.10-01型号，主要提供给伺服电机驱动模块能量。该模块需要通过X20BT9100总线中继模块和中央处理模块X20CP1484进行X2X通信，输出的电压值通过AS软件的设置来执行。另外24V直流电源模块采用贝加莱公司的PS1050型号，该模块是一个24V的直流稳压电源模块，通过外部给定的220V交流电经过PS1050转变为24V之后给X20CP1484中央处理模块供电。

5、限位开关：该限位开关为欧姆龙公司的限位开关Z-15GW-B。整个倒立摆系统中有4个限位开关模块，它们分别串联在一起接入伺服电机驱动模块中的Enable管脚上，当该引脚为高电平时，触发伺服系统工作，其中只要任意一个限位开关断路整个系统将不工作。限位开关分别安装在平面倒立摆X、Y轴导轨的最末端，主要作用是用于当倒立摆摆头运动到导轨的最末端时候，防止伺服电机的冲击力对倒立摆系统造成影响。

该控制装置控制的一级倒立摆系统还包括如下设备：

6、平面倒立摆模块：该模块是整个倒立摆系统的机械部分，主要由X轴和Y轴两个方向构成平面倒立摆。其中各个轴又由450mm导轨、导轨固定座、联轴器和外壳组成。在平面倒立摆中X轴安放在下部，Y轴安放在X轴的上部，这两个轴成对称摆放。

7、倒立摆摆头模块：该模块是倒立摆控制装置的被控对象，倒立摆的摆头下端分别连接编码器数据采集模块，在系统上电之后，需要对系统进行初始化操作。此时编码器也会将倒立摆摆头的位置进行初始化，当倒立摆摆头转过一定角度之后编码器就会将传送数据到中央处理模块X20CP1484。

上述一级倒立摆采用MATLAB软件和贝加莱公司的AS（Automation Studio）软件进行倒立摆系统的编程。首先利用MATLAB/Simulink中的仿真，建立起系统的仿真模型，然后调整好参数将simulink导入到AS这个开发工具中，最后通过AS将程序导入到贝加莱的硬件系统中。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型提供的基于贝加莱PLC的一级倒立摆控制装置，克服了倒立摆装置不完备、质量不高的缺点。具有自动代码生成，节省开发周期、系统仿真测试可直接应用于控制器、更加注重学生的动手能力的培养、机器的改型设计更加简单等优点。

附图说明

图1为本实用新型一级倒立摆控制装置的结构框图；

图2为本实用新型多级倒立摆控制装置的安装分布图；

图3为多级倒立摆中平面倒立摆模块的结构示意图；

图4为多级倒立摆中倒立摆摆头模块的结构示意图。

图中，1-导轨，2-导轨固定座，3-联轴器，4-外壳，5-伺服电机，6-限位开关，7-摆头，8-编码器，9-伺服电机驱动模块，10-24-80V直流电源模块，11-24V直流电源模块，12-中央处理器模块，13-编码器数字量计数模块，14-X20BT9100总线中继模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型控制装置包括中央处理模块、电源模块、伺服电机模块、编码器数据采集模块和限位开关；中央处理模块分别与编码器数据采集模块和伺服电机模块相连；限位开关与伺服电机模块相连；电源模块分别与伺服电机模块和中央处理模块相连。

中央处理模块采用的是贝加莱的X20CP1484。该模块可扩展性较好，可根据实际应用中的需要外扩不同的I/O口。基于贝加莱PLC的一级倒立摆控制装置的电源模块有24V直流电源模块11和24-80V直流电源模块10。编码器数据采集模块主要由瑞普编码器ZSP3806-003G-100B21-5F型号和贝加莱公司的X20DC1976编码器数字量计数模块13构成。伺服电机模块主要由贝加莱公司的80LVA22.R001D100-0和80LVA23.R001D100-0两种伺服电机以及80VD100PDC022-01伺服电机驱动模块9组成。伺服电机的供电由24-80V的80PS080X3.10-01模块供给，电源值的设置通过X20BT9100总线中继模块14与中央处理模块X20CP1484进行连接。限位开关为欧姆龙公司的限位开关Z-15GW-B，为四个，它们分别串联在一起接入伺服电机驱动模块9的Enable管脚上。

中央处理模块12安放在控制装置的中上部，如图2所示。其右侧分别连接着编码器数字量计数模块13（X20DC1976）。左侧连接着24V直流电源模块11。中央处理模块12用于控制X轴方向和Y轴方向的伺服电机的运转，从而带动倒立摆的摆头以一定的角度控制输出。

24V直流电源模块11采用贝加莱公司的PS1050型号，主要给中央处理模块X20CP148412和X20DC1976编码器数字量计数模块13供电。这里X20DC1976模块的供电电压为5V，其X20DC1976内部集成电路中自带了24V转5V的电源转换电路，故只需将其按顺序放入X20CP1484右侧的固定插槽中， X20DC1976模块就可以正常工作。24-80V直流电源模块10由贝加莱电源80PS080X3.10-01提供，电源80PS080X3.10-01输入的是三相交流电，该模块共有5个模块构成，分别为：主电源输入、通信接口、固定电源24V输出、斩波输出和电源80V输出等。主电源输入是三相电对应的接线方式为L1，L2，L3，和GND。通信方式采用X20X。固定的24V电源输出接线为24V+、24V-、GND。斩波输出为2线制，80V输出由两个通信分别输出。伺服电机驱动模块9的能源也是来源于电源模块。

编码器数据采集模块中X20DC1976编码器数字量计数模块13安放在X20CP1484模块固定插槽的后侧。倒立摆的摆头角度主要通过旋转编码器的A、B、Z获得，Z相主要获得倒立摆摆头的起始位置，A、B相主要获得倒立摆摆头的运动方向和速度，通过X20DC1976模块将采集到的数据送给X20CP1484中央处理模块12。

伺服电机模块中80LVA22.R001D100-0伺服电机带动平面倒立摆最上部分的导轨即Y轴运转，通过导轨的速度来控制倒立摆摆头达到稳定的输出。因为Y轴导轨所承受的重力相对于X轴导轨较小，故在Y轴的最右端安放80LVA22.R001D100-0伺服电机，在X轴的最右端安放80LVA23.R001D100-0伺服电机。相对于80LVA22.R001D100-0伺服电机，80LVA23.R001D100-0伺服电机的驱动力矩较大。伺服电机的运转大小及方向主要中央处理模块在接收到旋转编码器的数据分析之后，在发送相应的指令给伺服电机驱动模块80VD100PDC022-01，由于中央处理模块的输出电流和电压的限制必须要电机驱动提供足够的能量来驱动伺服电机的运转。

限位开关主要是在倒立摆摆头运动到导轨的两端时，将该状态的有效信号发送给中央处理模块X20CP1484，中央处理模块接收到信号之后，就会发送停止指令给伺服电机驱动模块，迫使伺服电机停止下来。在平面倒立摆X、Y轴导轨两端的最末端分别安放一个限位开关，其主要作用是当倒立摆摆头运动到导轨的最末端时候，防止伺服电机的冲击力对倒立摆系统造成影响。平面倒立摆模块：该模块是整个倒立摆的机械部分，主要由X轴和Y轴两个方向构成平面倒立摆。X轴在Y轴的下部分，Y轴安放在X轴的上部，这两个轴成对称摆放。由于X轴和Y轴的机械机构一样，故都用图3表示。每个轴由450mm导轨1、导轨固定座2、联轴器3和外壳4组成。导轨1的导程为10MM，导轨固定座2用于固定导轨在一条水平线上，联轴器3用于连接导轨1和伺服电机5，可以看成是一个刚性的接连体，它将伺服电机5的转速无损的传送给导轨1。平面倒立摆模块X轴和Y轴的末端分别设置限位开关6。其二维平面图如图3所示。

倒立摆摆头模块：整个倒立摆装置的控制对象就是倒立摆的摆头。为满足实验要求，这里设计了一级倒立摆和二级倒立摆以便满足不同用户的要求。如图4所示，倒立摆的摆头7下端分别连接着编码器8，每加一自由度需在加一个旋转编码器模块以实时读取倒立摆摆头的位置。在系统上电之后，系统就会对编码器8的Z相进行初始化操作。在中央处理模块得到编码器8的Z相数据之后，就会以该点的位置为系统的零点初始化位置。

编程软件模块：该模块是整个一级倒立摆系统软件部分。主要采用MATLAB软件和贝加莱公司的AS（Automation Studio）软件进行倒立摆系统的编程。首先利用MATLAB/Simulink中的仿真，建立起系统的仿真模型，将仿真模型导入到Automation Studio这个开发工具中，使仿真系统可以在贝加莱控制器上进行硬件的仿真及系统功能的测试。MATLAB/SIMULINK可按系统内在的物理关联设计完整的复杂系统，可使传感器、控制器、机械单元、操作机构等构成一个整体。系统的各个组成部分在Matlab/SIMULINK中是以模块化的方式来构建的，可调用各种标准控制模型或自定义控制模型。各模型间相互关联成为一个整体，并通过仿真过程得到优化的系统参数。通过自动代码生成的功能，MATLAB/SIMULINK的仿真模型可生成工程实例的代码，这种代码的效率可与人工代码相媲美，这就是本系统采用贝加莱PLC主要的原因。

工作原理：该实用新型提供了基于贝加莱PLC的一级倒立摆控制装置。首先通过MATLAB/SIMULINK建立系统的仿真模型，并通过仿真过程得到优化的系统参数，然后在将仿真模型导入到Automation Studio这个开发工具中，通过自动代码生成的功能，最后把MATLAB/SIMULINK的仿真模型生成工程实例的代码，下载到贝加莱X20CP1484PLC中。

工作过程：首先用户给贝加莱PLC的倒立摆装置通上电源，在电源模块接通之后，中央处理模块需要经过硬件初始化，在这期间中央处理模块需要对编码器模块、伺服电机模块以及限位开关模块进行初始化。在这些模块进行初始化之后，用户就需要对系统在MATLAB平台上进行仿真，在仿真模型中通过不断优化参数，达到最佳的控制效之后，将仿真模型导入到Automation Studio开发工具中。然后将AS软件与贝加莱X20CP1484中央处理模块进行通信连接，在上述过程都操作确定的前提下，将AS软件中的程序代码下载到X20CP1484PLC中，最后通过X20CP184中的程序来达到系统的整个控制要求。在控制过程中，系统的程序下载进入X20CP1484PLC之后，就会启动伺服电机进行运转，其中伺服电机运转的速度与倒立摆摆头与竖直方向的夹角越大，则伺服电机的速度就越大，运动方向与倒立摆摆头的离地面最小夹角方向相同，但是在此过程中如果倒立摆摆头到达系统的最末端时，限位开关就会将此有效信号传送给中央处理模块，由中央处理模块发出指令让伺服电机停止运转。

Claims

1.一种一级倒立摆的控制装置，其特征在于：所述控制装置包括中央处理模块、电源模块、伺服电机模块、编码器数据采集模块和限位开关；所述中央处理模块分别与编码器数据采集模块和伺服电机模块相连；所述限位开关与所述伺服电机模块相连；所述电源模块分别与伺服电机模块和中央处理模块相连；所述中央处理模块采用贝加莱公司的X20CP1484模块；所述编码器数据采集模块包括编码器和编码器数字量计数模块；所述编码器采用瑞普编码器ZSP3806-003G-100B21-5F；所述编码器数字量计数模块采用贝加莱公司的X20DC1976模块。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述电源模块包括24-80V直流电源模块和24V直流电源模块。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述伺服电机模块包括两个伺服电机和伺服电机驱动模块。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述限位开关为四个，串联后与所述伺服电机模块相连。