CN2562279Y

CN2562279Y - 旋转式倒立摆

Info

Publication number: CN2562279Y
Application number: CN 02263926
Authority: CN
Inventors: 孙德敏; 王永; 卿致远; 张培仁; 吴刚
Original assignee: Ustc Chuangxin Co ltd; University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: Ustc Chuangxin Co ltd; University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2003-07-23
Anticipated expiration: 2012-08-23

Abstract

本实用新型是一种旋转式倒立摆，属于科研或教学的实验装置。包括摆杆(2)、电机(4)、传动部件、支架(5)及其控制系统，摆杆通过传动部件与电机轴相连；传动部件为一刚性旋臂(1)，其一端与电机轴固接、另一端与摆杆铰接，电机轴为水平方向，旋臂和摆杆的回转面均为竖直方向。本实用新型结构新颖，它省去了现有直线式倒立摆中复杂的传动机构，使得整体结构简洁紧凑、占地面积小，而且使得与控制方法无关的因素(例如传动机构的故障、误差、非线性等)大大减少，从而增加了控制的精确度、控制效果稳定，使可靠性提高。

Description

旋转式倒立摆

技术领域：

本实用新型涉及一种用于科研或教学的实验装置。

背景技术：

倒立摆是一种直观、形象的科研或教学实验装置。从应用背景来讲，小到日常生活中所见到的各种重心在上、支点在下的物体的稳定问题，大到运载火箭的垂直发射等关键技术问题，都与倒立摆控制有很大的相似性。但是，作为一个被控对象，它同时又是一个相当复杂的高阶次、多变量、非线性、强耦合的静不稳定系统，必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。因此，倒立摆控制已经成为自动控制领域中的一个十分经典而具有挑战性的问题，许多新的自动控制理论或手段，都可以通过倒立摆来进行分析、研究和验证。

常见的倒立摆为直线式倒立摆(如图1所示)，它是将摆杆通过一个活动“关节”竖直安装在与传动带(如：皮带及导轮、链条及齿轮等形式)相连的小车上、小车置于导轨上，由电机驱动传动带、从而带动小车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或误差而不是控制方法本身的问题而导致失败，因而可靠性较低；并且占地面积较大。

发明内容：

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、占地小、控制效果稳定的旋转式倒立摆。

本实用新型的技术解决方案如下：

整个倒立摆包括摆杆、电机、传动部件、支架及其控制系统，电机置于支架上，摆杆至少为一级，其第一级通过传动部件与电机轴相连；其中传动部件为一刚性旋臂，其一端与电机轴固接、另一端与摆杆铰接，电机轴为水平方向，旋臂和摆杆的回转面均为竖直方向。

也就是说，本实用新型提出了一种结构新颖的倒立摆，它省去了一些复杂的传动机构，使得电机轴的运动直接传递给摆杆。

本实用新型的具体结构如图2、3所示(但并不限于该图)。摆杆与电机之间的传动部件为一刚性旋臂，其一端与电机轴相连、另一端与摆杆相连，旋臂与电机轴之间为固接(如：通过紧固件或定位销等形式卡住)，旋臂与摆杆之间为铰接(如：通过各种轴、套形式铰接)、形成单自由度的活动“关节”，使旋臂可跟随电机轴一起回转，而摆杆可绕与旋臂之间的铰接点回转；电机轴为水平方向，旋臂和摆杆的回转面则均为竖直方向；电机置于高度合适的支架上，以保证电机轴离开地面或其它部件的距离大于旋臂及摆杆的长度总和，即保证旋臂及摆杆的运动没有任何障碍；电机应采用直流力矩电机，以保证电机轴的转动方向及角加速度能够随控制信号的变化而变化。倒立摆的控制信号由其控制系统产生，控制系统的硬件构成可与已有技术的相同，也可自行设计，应包括：反映倒立摆工作状态的信号测量部件(例如角度检测装置)、进行信号处理的部件(例如信号转换装置和运算装置)、以及电机的驱动部件(例如功率放大器)等。

本实用新型的工作过程如下：当旋臂带动摆杆运动时，旋臂与基准位置(可选取铅垂线或其它线)之间、以及摆杆与旋臂之间形成两个夹角θ₁和θ₂(见图4所示，其中θ₁以铅垂线为基准)，由角度检测装置(例如电位器)测量得到这两个角位移信号，作为系统的两个输出量被送入信号转换装置和运算装置(例如单片机或DSP，甚至可以是外接的PC机)中，根据选定的控制律计算出控制量，并提供给功率放大器转换为电机驱动信号，由此驱动电机带动旋臂转动、从而控制摆杆的运动(其工作流程如图5所示)，其目标是使摆杆维持倒立状态。整个过程是一个动态平衡。

与直线式倒立摆相似，旋转式倒立摆也可以做成多级的形式：以上述单级倒立摆为基础，在其摆杆的自由端上，再通过活动“关节”铰接上第二级摆杆，活动“关节”处亦设置角度检测装置；如果需要，第二级摆杆的自由端上还可以同样接上第三级摆杆……；从而形成多级倒立摆。

综上所述，本实用新型所提供的旋转式倒立摆是一种新型的倒立摆装置，它省去了小车、传动带、导轨等复杂的传动机构，使得整体结构简洁紧凑、占地面积小，而且使得与控制方法无关的因素(例如传动机构的故障、误差、非线性等)大大减少，从而增加了控制的精确度、控制效果稳定，使可靠性提高。

附图说明：

附图1为已有技术的直线式倒立摆的结构示意图。

附图2为本实用新型的旋转式倒立摆的结构示意图(正面，工作状态)。

附图3为本实用新型的旋转式倒立摆的结构示意图(侧面，静止状态)。

附图4为本实用新型的旋臂及摆杆的摆动角度示意图。

附图5为本实用新型的工作流程示意图。

具体实施方式：

下面给出本实用新型的一个具体实施例(但本实用新型并非仅限于此例)：

旋臂1、摆杆2均采用铝合金制作，使之自身重量较小。支架5采用普通钢管制作；电机4采用70LY53永磁直流力矩电机。控制系统中的角度检测装置3采用WDD35D导电塑料测量电位器；核心控制器件7采用TMS320F240的DSP控制器，它包括A/D及D/A转换、滤波、控制量计算等功能；外接计算机10采用通用的PC机；功率放大器8为全桥脉冲宽度调制式电机驱动芯片A3952。旋臂尺寸：φ15mm×200mm，摆杆尺寸：φ15mm×250mm，支架尺寸：高度400mm，外径φ20mm、内径φ17mm，控制机箱尺寸：360mm×240mm×90mm。

旋臂1的一端设置与电机轴相配合的孔，将其套在电机轴的前端、再通过紧固件卡住定位；旋臂的另一端通过连接板安装一个测量电位器(R2)，摆杆2的一端亦设置合适的孔，与测量电位器上的中心凸轴相配合，使摆杆及测量电位器的转动部分一起可绕该凸轴进行任意转动，即测量电位器成为旋臂与摆杆之间的活动“关节”，并能感受旋臂与摆杆之间形成的夹角θ₂的变化；另一个测量电位器(R1)则安装于电机轴的后端，使电位器上的中心凸轴通过合适的轴套与电机轴对接，可感受旋臂与基准位置之间形成的夹角θ₁的变化；电机座固定在支架5上，支架再置于控制机箱6上、使结构紧凑；控制系统中的DSP控制器7、功率放大器8、相应的电源及变压器9等置于控制机箱6内。机箱外壳上有电源开关、电源插口以及使DSP控制器与外接计算机10(或其它外部设备)相连的通讯接口。DSP控制器7与测量电位器3之间、功率放大器8与电机4之间的连线可从支架内穿过，以避免暴露在外部。DSP的信号输入端与电位器的输出端相连，DSP的信号输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与电机轴相连。

本实用新型的倒立摆系统可以有两种运行模式，可根据需要进行切换：①自主运行：根据已固化在DSP控制器中的控制律计算控制量(此时，如果需要，也可以利用计算机对倒立摆的运行状态进行监视)；②联机运行：通过机箱外壳上的通讯接口将两个角位移信号θ₁和θ₂(其A/D转换可利用DSP中的A/D口实现)送入计算机，在计算机中可根据实验研究的需要自由设计控制律(取代自主运行模式中的控制律)并计算控制量。

本实用新型还可以改装成为随动系统，即：把倒立摆的摆杆与旋臂固定在一起，并在与之相对应的另一端增加平衡杆，使倒立摆成为一个由直流力矩电机拖动惯性负载，形成随动系统。

Claims

1、一种旋转式倒立摆，包括摆杆(2)、电机(4)、传动部件、支架(5)及其控制系统，电机置于支架上，摆杆至少为一级，其第一级通过传动部件与电机轴相连；其特征在于：传动部件为一刚性旋臂(1)，其一端与电机轴固接、另一端与摆杆铰接，电机轴为水平方向，旋臂和摆杆的回转面均为竖直方向。