CN209015524U - 一种新型的直线一级倒立摆 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种新型的直线一级倒立摆，本实用新型将倒立摆的电源、开关、DC/DC模块、子无线通讯模块和角度编码器集成为一体，同时在控制箱内装有通讯模块，实现倒立摆本体与控制箱的无线通讯，节省了原本角度编码器的电源与通讯线，能够有效避免角度编码器的外接电源和信号线对倒立摆运动产生的干扰，具有更好的演示效果，简洁美观，具有实际应用价值。
Description
技术领域
本实用新型属于无线通信技术领域，具体涉及一种新型的直线一级倒立摆。
背景技术
倒立摆在动力学和控制领域是一个经典的实验装置，可以有效的检验控制方法，是一个典型的快速、多变量、强耦合、非线性、自不稳定系统，而且在控制过程中，能够有效反映镇定性、鲁棒性、随动性和跟踪等关键问题，常被用来检验各种算法对不稳定性、非线性和快速系统的控制效果。
现有的直线一级倒立摆，其运动过程是通过控制箱来控制电机运动从而带动摆杆底座左右运动，以实现摆杆的平衡。倒立摆本体和控制箱之间通过信号线连接，在实际应用过程中，角度编码器的外接电源和信号线会干扰摆杆底座的运动，这在动力学建模过程中会引入一个较大的外力，从而影响建模效果和算法验证的准确性，而且非常不美观，使用不方便。倒立摆是一个不稳定系统，其摆杆角度变化很快，需要实时的采集信号并计算才能控制其平衡，无线化具有一定难度。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种新型的直线一级倒立摆。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种新型的直线一级倒立摆，包括：倒立摆本体和控制箱；倒立摆本体包括直线运动装置、摆体组件以及电机；摆体组件装设在直线运动装置上，可做直线运动；摆体组件包括摆杆、摆杆底座以及保护外壳；
摆体组件内设有第一控制电路，第一控制电路包括角度编码器、第一无线通讯模块以及第一电源模块；其中，角度编码器与第一无线通讯模块电连接，第一电源模块分别为摆杆、角度编码器和第一无线通讯模块供电；角度编码器设置在摆杆底座内，第一无线通讯模块和第一电源模块设置在保护外壳内；
控制箱内设有第二控制电路，第二控制电路包括DSP控制板、位置传感器、霍尔传感器、电机驱动器、第二无线通讯模块和第二电源模块；其中，DSP控制板分别与位置传感器、霍尔传感器、电机驱动器以及第二无线通讯模块电连接，位置传感器和霍尔传感器内置在电机中，电机驱动器与电机组件电连接，第二电源模块分别为DSP控制板、电机驱动器以及第二无线通讯模块供电；
第一无线通讯模块和第二无线通讯模块之间无线通信连接。
作为优化方案：角度编码器选用增量式旋转编码器，型号为B-ZKX-100B-G05L-HT；第一无线通讯模块选用2.4G ZigBee无线串口透传模块，型号为CC2530。
作为优化方案：DSP控制板选用基于TMS320F2812板的cSPACE快速原型开发板；电机驱动器选用ELMO伺服驱动器，型号为HAR-8/100-20-H1；第二无线通讯模块选用2.4GZigBee无线串口透传模块，型号为CC2530。
作为优化方案：第一电源模块包括：直流电源以及对直流电源进行电压转换的第一DC/DC子模块；第二DC/DC子模块分别为摆杆、角度编码器和第一无线通讯模块供电。作为优化方案：第二电源模块包括：
交流电源，对交流电源进行电压转换输出低压直流电的AC/DC开关电源子模块，以及对AC/DC开关电源子模块输出的低压直流电进行降压的第二DC/DC子模块；
AC/DC开关电源子模块直接为电机驱动器供电，第二DC/DC子模块分别为DSP控制板和第二无线通讯模块供电。
作为优化方案：电机选用型号为BLM57090-1000的旋转伺服电机，直线运动装置包括传动带、传动齿轮以及导轨。
作为优化方案：电机选用U型直线电机，直线运动装置包括用于支撑U型直线电机的支座。
本实用新型相对于现有技术的有益效果在于：
本实用新型将倒立摆的电源、开关、DC/DC模块、子无线通讯模块和角度编码器集成为一体，同时在控制箱内装有通讯模块，实现倒立摆本体与控制箱的无线通讯，节省了原本角度编码器的电源与通讯线，能够有效避免角度编码器的外接电源和信号线对倒立摆运动产生的干扰，具有更好的演示效果，简洁美观，具有实际应用价值。
附图说明
图1为第一控制电路和第二控制电路的结构框图。
图2为采用旋转电机的直线一级倒立摆整体结构示意图。
图3为采用直线电机的直线一级倒立摆整体结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，包括：1-第一控制电路、11-角度编码器、12-第一无线通讯模块、13-第一电源模块、131-直流电源、132-第一DC/DC子模块、2-第二控制电路、21-DSP控制板、22-位置传感器、23-霍尔传感器、24-电机驱动器、25-第二无线通讯模块、26-第二电源模块、261-交流电源、262-AC/DC开关电源子模块、263-第二DC/DC子模块、3-摆杆、4-摆杆底座、5-保护外壳、6-旋转电机、6’-直线电机、7-传动带、8-传动齿轮、9-导轨、10-支座。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1：
如图1所示，一种新型的直线一级倒立摆，包括：倒立摆本体和控制箱；倒立摆本体包括直线运动装置、摆体组件和电机；摆体组件装设在直线运动装置上，可做直线运动；摆体组件包括摆杆3、摆杆底座4以及保护外壳5。
如图1所示，摆体组件内设有第一控制电路1，第一控制电路1包括角度编码器11、第一无线通讯模块12以及第一电源模块13；其中，角度编码器11与第一无线通讯模块12电连接，第一电源模块13分别为摆杆3、角度编码器11和第一无线通讯模块12供电；角度编码器11设置在摆杆底座4内，第一无线通讯模块12和第一电源模块13设置在保护外壳5内。
控制箱内设有第二控制电路2，第二控制电路2包括DSP控制板21、位置传感器22、霍尔传感器23、电机驱动器24、第二无线通讯模块25和第二电源模块26；其中，DSP控制板21分别与位置传感器22、霍尔传感器23、电机驱动器24以及第二无线通讯模块25电连接，位置传感器22和霍尔传感器23内置在电机内，电机驱动器24与电机组件电连接。第二电源模块26分别为DSP控制板21、电机驱动器24以及第二无线通讯模块25供电。
第一无线通讯模块12和第二无线通讯模块25之间无线通信连接。
在实际应用中，角度编码器11选用增量式旋转编码器，型号为B-ZKX-100B-G05L-HT；第一无线通讯模块12选用2.4G ZigBee无线串口透传模块，型号为CC2530。
DSP控制板21选用基于TMS320F2812板的cSPACE快速原型开发板。电机驱动器24选用ELMO伺服驱动器，型号为HAR-8/100-20-H1。第二无线通讯模块25选用2.4G ZigBee无线串口透传模块，型号为CC2530。
在本实施例中，第一电源模块13包括：直流电源131以及对直流电源131进行电压转换的第一DC/DC子模块132；第二DC/DC子模块263分别为摆杆3、角度编码器11和第一无线通讯模块12供电。具体的，直流电源可以是12V的电池，第一DC/DC子模块132可选用直流降压模块LM2596S-ADJ。
在本实施例中，第二电源模块26包括：交流电源261，对交流电源261进行电压转换输出低压直流电的AC/DC开关电源子模块262，以及对AC/DC开关电源子模块262输出的低压直流电进行降压的第二DC/DC子模块263。AC/DC开关电源子模块262直接为电机驱动器24供电，第二DC/DC子模块263分别为DSP控制板21和第二无线通讯模块25供电。具体的，交流电源可以是220V或110V的交流电，AC/DC开关电源子模块262可选用稳压直流电源LRS-350-48；第二DC/DC子模块263可选用直流降压模块LM2596S-ADJ。
实施例2：
如图2所示，本实施例提供的是一种采用旋转电机6的直线一级倒立摆的实例：
电机选用型号为BLM57090-1000的旋转电机6，直线运动装置包括传动带7、传动齿轮8以及导轨9。旋转电机6的输出轴与传动齿轮8相连，通过传动齿轮8带动传动带7运动，左右对称的两个传动齿轮8安装在导轨9上；同时传动带7与摆杆底座4相连，摆杆底座4安装在导轨9上，可以通过滚轮在导轨9上左右移动。其具体工作过程如下：在倒立摆工作时，包括两个阶段，第一阶段是自动摆起阶段，由DSP控制板21给出一定摆起控制量，通过电机驱动器24驱动旋转电机6，旋转电机6带动传动带7，使得摆体组件在导轨9上左右运动，摆杆3开始左右摆动。之后，摆杆3的摆动幅度逐渐加大，最终摆杆3接近竖直状态时，进入第二阶段即平衡稳定阶段。在此过程中，角度编码器11实时采集摆杆角度信号，并通过第一无线通讯模块12发送到第二无线通讯模块25，第二无线通讯模块25再将摆杆角度信号传输到DSP控制板21，DSP控制板21据此实时控制旋转电机6的工作，实时减小摆杆偏离竖直状态的角度，使摆杆保持动态的竖直平衡状态。在以上运动过程中，位置传感器22和霍尔传感器23实时检测电机转子的位置并传输给电机驱动器24和DSP控制板21，控制板采集信号后计算输出控制量控制电机转动速度、启动或停止、正向和反向。
实施例3：
如图3所示，本实施例提供的是一种采用直线电机6’的直线一级倒立摆的实例：
电机选用U型直线电机6’，直线运动装置包括用于支撑直线电机6’的支座10。直线电机6’安装在左右对称的两个支座10上；摆杆底座4安装在直线电机6’上，直线电机6’带动摆杆底座4左右移动。
在倒立摆工作时，包括两个阶段，第一阶段是自动摆起阶段，由DSP控制板21给出一定摆起控制量，通过电机驱动器24驱动直线电机6’带动摆体组件左右运动，使得摆杆3开始左右摆动。之后，摆杆3的摆动幅度逐渐加大，最终摆杆3接近竖直状态时，进入第二阶段即平衡稳定阶段。在此过程中，角度编码器11实时采集摆杆角度信号，并通过第一无线通讯模块12发送到第二无线通讯模块25，第二无线通讯模块25再将摆杆角度信号传输到DSP控制板21，DSP控制板21据此实时控制直线电机6’的工作，实时减小摆杆偏离竖直状态的角度，使摆杆保持动态的竖直平衡状态；在以上运动过程中，位置传感器22和霍尔传感器23实时检测电机转子的位置并传输给电机驱动器24和DSP控制板21，控制板采集信号后计算输出控制量控制电机转动速度、启动或停止、正向和反向。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种新型的直线一级倒立摆，包括：倒立摆本体和控制箱；所述倒立摆本体包括直线运动装置、摆体组件以及电机；所述摆体组件装设在所述直线运动装置上，可做直线运动；所述摆体组件包括摆杆、摆杆底座以及保护外壳；其特征在于：
所述摆体组件内设有第一控制电路，所述第一控制电路包括角度编码器、第一无线通讯模块以及第一电源模块；所述角度编码器与所述第一无线通讯模块电连接，所述第一电源模块分别为所述摆杆、所述角度编码器和所述第一无线通讯模块供电；所述角度编码器设置在所述摆杆底座内，所述第一无线通讯模块和所述第一电源模块设置在所述保护外壳内；
所述控制箱内设有第二控制电路，所述第二控制电路包括DSP控制板、位置传感器、霍尔传感器、电机驱动器、第二无线通讯模块和第二电源模块；所述DSP控制板分别与所述位置传感器、所述霍尔传感器、所述电机驱动器以及所述第二无线通讯模块电连接，所述位置传感器和所述霍尔传感器内置在所述电机中，所述电机驱动器与电机组件电连接，所述第二电源模块分别为所述DSP控制板、所述电机驱动器以及所述第二无线通讯模块供电；
所述第一无线通讯模块和所述第二无线通讯模块之间无线通信连接。
2.根据权利要求1所述的直线一级倒立摆，其特征在于：所述角度编码器选用增量式旋转编码器，型号为B-ZKX-100B-G05L-HT；所述第一无线通讯模块选用2.4G ZigBee无线串口透传模块，型号为CC2530。
3.根据权利要求1所述的直线一级倒立摆，其特征在于：所述DSP控制板选用基于TMS320F2812板的cSPACE快速原型开发板；所述电机驱动器选用ELMO伺服驱动器，型号为HAR-8/100-20-H1；所述第二无线通讯模块选用2.4G ZigBee无线串口透传模块，型号为CC2530。
4.根据权利要求1所述的直线一级倒立摆，其特征在于：所述第一电源模块包括：直流电源以及对所述直流电源进行电压转换的第一DC/DC子模块；所述第一DC/DC子模块分别为所述摆杆、所述角度编码器和所述第一无线通讯模块供电。
5.根据权利要求1所述的直线一级倒立摆，其特征在于：所述第二电源模块包括：
交流电源，对所述交流电源进行电压转换输出低压直流电的AC/DC开关电源子模块，以及对所述AC/DC开关电源子模块输出的低压直流电进行降压的第二DC/DC子模块；
所述AC/DC开关电源子模块直接为所述电机驱动器供电，所述第二DC/DC子模块分别为所述DSP控制板和所述第二无线通讯模块供电。
6.根据权利要求1所述的直线一级倒立摆，其特征在于：所述电机选用型号为BLM57090-1000的旋转伺服电机，所述直线运动装置包括传动带、传动齿轮以及导轨。
7.根据权利要求1所述的直线一级倒立摆，其特征在于：所述电机选用U型直线电机，所述直线运动装置包括用于支撑所述U型直线电机的支座。
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| CN112150894A (zh) * | 2020-08-12 | 2020-12-29 | 广西华南通信股份有限公司 | 一种基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台 |
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2018
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