專利名稱：直線電機倒立擺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種倒立擺系統(tǒng)，特別涉及一種直線電機倒立擺，屬 于自動控制技術(shù)科研與教學(xué)實驗裝置的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
倒立擺系統(tǒng)是一個非線性自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，是進行控制理論教學(xué)及開 展各種控制策略的理想驗證平臺。倒立擺系統(tǒng)的高階次、不穩(wěn)定、多變量、 非線性和強耦合等特性使得許多現(xiàn)代控制理論研究人員一直將它視為最佳 的理論方法驗證試驗研究對象，不斷從研究倒立擺控制中發(fā)掘出新的控制 方法，并將其應(yīng)用于航天科技和機器人學(xué)等各種高新科技領(lǐng)域。
在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及實際應(yīng)用中的可行性 需要一個按其理論設(shè)計的控制器去控制一個典型對象來驗證。倒立擺就是 這樣一個被控制對象。倒立擺系統(tǒng)是一個多變量、快速、非線性和自然不 穩(wěn)定系統(tǒng)，在控制過程中能有效地反映控制中的許多關(guān)鍵問題，如非線性 問題、系統(tǒng)的魯棒性問題、隨動問題、鎮(zhèn)定問題及跟蹤問題等。倒立擺系 統(tǒng)作為一個實驗裝置，形象直觀，結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)件組成參數(shù)和形狀易于改 變，成本低廉。倒立擺系統(tǒng)的控制效果可以通過其穩(wěn)定性直觀地體現(xiàn)，也 可以通過擺桿角度、小車位移和穩(wěn)定時間直接度量。其實驗效果直觀、顯 著。當新的控制理論與方法出現(xiàn)后，可以用倒立擺對其正確性和實用性加 以物理驗證，并對各種方法進行快捷、有效、生動的比較。
傳統(tǒng)的直線式倒立擺如附圖1所示，它是將擺桿通過一個活動的"鉸 鏈"豎直安裝在小車上，小車與傳動機構(gòu)相連，傳動機構(gòu)可以是多種形式， 如皮帶和導(dǎo)輪組合，鏈條和導(dǎo)輪組合，齒輪齒條組合等。小車置于導(dǎo)軌 上，由旋轉(zhuǎn)伺服電機通過上述驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動小車在導(dǎo)軌上做水平直線運動 來控制擺桿的倒立。由于傳動機構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)多，實踐中常由于傳動機構(gòu) 的故障誤差而不是控制方法本身的問題導(dǎo)致實驗失敗，因而可靠性較低。 實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的以上缺點，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、 可靠性高、控制效果穩(wěn)定的直線電機倒立擺。 本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)
本實用新型的一種直線電機倒立擺，包括擺桿、電機驅(qū)動器及其控制 系統(tǒng)，其中倒立擺桿通過轉(zhuǎn)軸連接在底座上，底座直接固定在直線電機 驅(qū)動的平臺上，轉(zhuǎn)軸一側(cè)裝有一個一級增量式角度編碼器，另一側(cè)與倒立 擺桿一端連接。
本實用新型所述的直線電機倒立擺，其中在導(dǎo)軌上滑動的所述平臺 與直線電機的動子固定連接，直線電機定子為長條凹槽狀，與導(dǎo)軌同方向 設(shè)置，可帶動平臺沿導(dǎo)軌移動的所述動子有間隙地插在所述定子的長條凹 槽內(nèi)，所述定子的長條凹槽開口為水平方向，所述導(dǎo)軌為單根導(dǎo)軌。
本實用新型所述的直線電機倒立擺，其中在導(dǎo)軌上滑動的所述平臺 與直線電機的動子固定連接，直線電機定子為長條形狀，與導(dǎo)軌同方向設(shè) 置、可帶動平臺沿導(dǎo)軌移動的所述動子有間隙地放置在所述定子的上方， 所述導(dǎo)軌為雙導(dǎo)軌。
本實用新型所述的直線電機倒立擺，其中所述倒立擺桿為若干級擺 桿組成，在前一級擺桿的自由端連接一個U型塊，U型塊上裝有一個軸，軸 的一端連有一個增量式角度編碼器，另一端活動連接有次級擺桿。
本實用新型所述的直線電機倒立擺，其中所述倒立擺桿為一級擺桿， 由一級擺桿構(gòu)成。
本實用新型所述的直線電機倒立擺，其中所述倒立擺桿為二級擺桿， 在一級擺桿的自由端連接一個U型塊，U型塊上裝有一個軸，軸的一端連有 一個二級增量式角度編碼器，另一端活動連接有二級擺桿。
本實用新型所述的直線電機倒立擺，其中所述倒立擺桿為三級擺桿， 在二級擺桿的自由端連接一個U型塊，U型塊上裝有一個軸，軸的一端連有 一個三級增量式角度編碼器，另一端活動連接有三級擺桿。
本實用新型所述的直線電機倒立擺，其中在所述導(dǎo)軌和平臺之間設(shè) 置有直線位移測量裝置套件，包括采集電機光柵信號和角度編碼器信號的 裝置。本實用新型所述的直線電機倒立擺，其中采集電機光柵信號和角度 編碼器信號的裝置與計算機控制卡連接，該卡內(nèi)設(shè)有信號處理模塊和計算 模塊，計算結(jié)果通過計算機轉(zhuǎn)化為控制信號由計算機將控制信號送給控制 卡及電機驅(qū)動器，電機驅(qū)動器按照控制卡內(nèi)的控制信號驅(qū)動電機工作，控 制擺桿位于豎直位置附近不倒。
本實用新型具有如下顯著優(yōu)點
本實用新型采用具有高速度、高精度、高加速度的直線電機來驅(qū)動倒 立擺，直線電機是一種新型的動力機構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)簡單合理，而且有很好 的控制效果；本實用新型直線電機倒立擺具有與現(xiàn)有直線式倒立擺一樣的 功能，即該系統(tǒng)具有位置和角度同時需要控制的特點，同時也克服了已有 的旋轉(zhuǎn)式倒立擺雖然簡單，但無直線位置反饋控制的缺點，是一個很好的 用于驗證控制理論的實驗平臺。在本實用新型的直線電機倒立擺的基礎(chǔ)上， 還可以做成四級或更多級形式的倒立擺，其連接方式與一、二、三級擺桿 的連接方式相同。


圖1:表示本實用新型現(xiàn)有技術(shù)的直線式倒立擺的正面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2:表示本實用新型的直線電機倒立擺的一級倒立擺正面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3:表示本實用新型的直線電機倒立擺的一級倒立擺立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4:表示本實用新型的直線電機倒立擺的二級倒立擺立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5:表示本實用新型的直線電機倒立擺的二級倒立擺正面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6:表示本實用新型的另一種直線電機倒立擺的二級倒立擺立體結(jié)構(gòu) 示意圖。
圖7:表示本實用新型的直線電機倒立擺的三級倒立擺立體結(jié)構(gòu)示意 圖。
圖8:表示本實用新型的直線電機倒立擺的三級倒立擺正面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9:表示本實用新型的直線電機倒立擺的一級倒立擺工作流程圖。 圖10:表示本實用新型的直線電機倒立擺的二級倒立擺工作流程圖。 圖11:表示本實用新型的直線電機倒立擺的三級倒立擺工作流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步介紹，但不作為對 本實用新型的限定。
如圖1所示， 一種現(xiàn)有技術(shù)的直線式倒立擺的正面結(jié)構(gòu)示意圖，它是 將擺桿4通過一個活動的"鉸鏈"14豎直安裝在小車10上，小車10固定 在由旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的傳動機構(gòu)上，傳動方式可以是多種形式如傳動帶11和 導(dǎo)輪12組成的動力傳遞裝置，也可以是鏈條和導(dǎo)輪組成的傳遞裝置，或者 是齒輪齒條等形式組成的傳遞裝置，小車10置于導(dǎo)軌13上，由伺服電機9 驅(qū)動傳動帶11、從而帶動小車10在導(dǎo)軌13上做水平往復(fù)直線運動來控制 擺桿的倒立。由于傳動機構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)多，實踐中常由于傳動機構(gòu)的故障 誤差而不是控制方法本身的問題導(dǎo)致實驗失敗，因而可靠性較低。
因此，本實用新型采用直線電機作為倒立擺的動力源，減小傳動機構(gòu) 的誤差，提高試驗的可靠性。如圖2所示，表示本實用新型的直線電機倒 立擺的一級倒立擺正面結(jié)構(gòu)示意圖。與圖1現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的 一種直線電機倒立擺，包括擺桿4、電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)(圖中未示出)， 在圖2中，倒立擺桿4通過轉(zhuǎn)軸3連接固定在底座2上，底座2直接固定 在直線電機驅(qū)動的平臺1上，轉(zhuǎn)軸3 —側(cè)裝有一個增量式角度編碼器5，另 一側(cè)與倒立擺桿4一端連接。
如圖3所示，表示本實用新型的直線電機倒立擺的一級倒立擺立體結(jié) 構(gòu)示意圖，所述倒立擺桿4為一級擺桿，由一級倒立擺桿41構(gòu)成，在直線 電機驅(qū)動的平臺1上固定有底座2，底座2 —側(cè)裝有一個增量式角度編碼器 5，另一側(cè)與倒立擺桿41 一端的轉(zhuǎn)軸3螺紋連接。在導(dǎo)軌13上滑動的所述 平臺1與直線電機的動子15固定連接，直線電機定子16為長條凹槽狀或 長條形狀等，與導(dǎo)軌13同方向設(shè)置，可帶動平臺1沿導(dǎo)軌13移動的所述 動子15有間隙地插在所述定子16的長條凹槽內(nèi)，所述定子16的長條凹槽開口為水平方向；
另外，如圖6所示，所述直線電機倒立擺的直線電機的結(jié)構(gòu)形式還可 以采用圖6所示的結(jié)構(gòu)形式，即在導(dǎo)軌23上滑動的所述平臺1與直線電機 的動子25固定連接，直線電機定子26為長條形狀，與導(dǎo)軌23同方向設(shè)置， 帶動平臺1沿導(dǎo)軌23移動的所述動子25有間隙的放置在長條形定子26上。
所述倒立擺桿4為若干級擺桿組成，即在前一級擺桿的自由端連接一 個U型塊6， U型塊6上裝有一個轉(zhuǎn)軸3，轉(zhuǎn)軸3的一端連有一個增量式角 度編碼器5，另一端活動連接有次級擺桿。
如圖4和圖5所示，所述倒立擺桿4可以為二級擺桿，在一級擺桿41 的自由端連接一個U型塊6， U型塊6上裝有一個轉(zhuǎn)軸3，轉(zhuǎn)軸3的一端連 有一個二級增量式角度編碼器7，另一端活動連接有二級擺桿42。
還有，如圖7和圖8所示，所述倒立擺桿4還可以為三級擺桿，在一 級擺桿41的自由端連接一個U型塊6， U型塊6上裝有一個轉(zhuǎn)軸3，轉(zhuǎn)軸 3的一端連有一個二級增量式角度編碼器7，另一端活動連接有二級擺桿42， 在二級擺桿42的自由端連接一個U型塊6， U型塊6上裝有一個轉(zhuǎn)軸3， 轉(zhuǎn)軸3的一端連有一個三級增量式角度編碼器7，另一端活動連接有三級擺 桿43。
如圖4所示，直線電機放置于實驗臺上，倒立擺底座2通過螺栓固定 在直線電機驅(qū)動的平臺1上，底座2上安裝一個軸承用于支撐轉(zhuǎn)軸3，轉(zhuǎn)軸 3的一端與角度編碼器5連接，另一端通過螺紋與一級擺桿41連接，并通 過螺母緊固； 一級擺桿41的另一端通過螺紋連接一個U型塊6，同樣用螺 母緊固，U型塊6上安裝二級擺桿42的軸，二級擺桿42的安裝方式與一 級擺相同；二級擺桿42的另一端通過轉(zhuǎn)軸3連接一個U型塊6，同樣用螺 母緊固，U型塊6上安裝三級擺桿43，三級擺桿43的安裝方式與一、二級 擺相同。為了減輕質(zhì)量，U型塊6中的軸承軸向定位均使用彈性擋圈，因 為倒立擺裝置上軸承承受很小的軸向力，因此也是合理的。 一級擺桿41、 二級擺桿42、三級擺桿43均采用鋁合金制作，使其自身重量較小，例如 一級倒立擺中一級擺桿41尺寸可以采用01Ox5OOmm。又如二級倒立擺 中的一級擺桿41尺寸為01Ox2OOmm， 二級擺桿42尺寸為010x500mm;又如三級倒立擺中通常采用的一級擺桿41尺寸為01OxlOOmm， 二級擺 桿42尺寸為01Ox2OOmm，三級擺桿43尺寸為010x500mm;底座2和 U型塊6采用中碳鋼制作，另外擺桿43經(jīng)稍加改動即可成為可變重心的擺 桿，從而可以使一些參數(shù)可變，適用于各種控制方法的需要。
在所述導(dǎo)軌13和平臺1之間設(shè)置有直線位移測量裝置套件，包括采集 電機光柵信號和角度編碼器信號的裝置。采集電機光柵信號和角度編碼器 信號的裝置與控制卡連接，該卡內(nèi)設(shè)有信號處理模塊和計算模塊，計算結(jié) 果通過計算機轉(zhuǎn)化為控制信號由計算機將控制信號送給控制卡及電機驅(qū)動 器，電機驅(qū)動器按照控制卡內(nèi)的控制信號驅(qū)動電機工作，控制擺桿位于豎 直位置附近不倒。底座2采用鋼材料制成，擺桿4使用鋁合金材料。
如圖9、 10、 11所示，表示本實用新型的直線電機倒立擺的工作流程 圖，圖9是一級倒立擺工作流程圖；圖IO是二級倒立擺工作流程圖；圖ll 是三級倒立擺工作流程圖。其工作原理與圖9的一級倒立擺工作流程圖的 工作原理相類似，工作時，擺桿4與豎直方向的夾角可以通過擺桿4與擺 桿4的安裝軸固定的角度編碼器測量并傳遞給控制卡，底座2的位置通過 安裝在直線電機上的光柵測量并傳遞給驅(qū)動器，然后再傳遞給控制卡，控 制卡進行處理后再傳遞給計算機計算，計算機將經(jīng)計算的數(shù)據(jù)再傳遞給控 制卡和驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動電機，從而實現(xiàn)對擺桿狀態(tài)的控制。這里只是 說了其中一種控制系統(tǒng)方案，用戶還可以根據(jù)自己的已有條件來選用不同 的控制系統(tǒng)方案(比如DSP、單片機、PLC等)。
如圖9所示，表示本實用新型的直線電機倒立擺的一級倒立擺工作流 程圖。計算機與控制器連接，控制器與驅(qū)動器連接，驅(qū)動器與電機連接， 電機控制擺角擺動以保持平衡，擺角的測量和位置的檢測均通過直線位移 測量裝置套件實施，測量的結(jié)果通過位置檢測裝置和角度編碼器反饋到控 制器中，形成循環(huán)往復(fù)運動。經(jīng)過反復(fù)測量、反復(fù)計算和反饋、反復(fù)調(diào)整， 使一級倒立擺保持豎直不倒，同理通過二級倒立擺經(jīng)過二次控制使二級倒 立擺保持豎直不倒；同理通過三級倒立擺經(jīng)過三次控制使三級倒立擺保持 豎直不倒。
權(quán)利要求1.一種直線電機倒立擺，包括擺桿、電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)，其特征在于倒立擺桿(4)通過轉(zhuǎn)軸(3)連接在底座(2)上，底座(2)直接固定在直線電機驅(qū)動的平臺(1)上，所述平臺(1)滑動地設(shè)置在導(dǎo)軌(13)上，轉(zhuǎn)軸(3)一側(cè)裝有一個增量式角度編碼器(5)，另一側(cè)與倒立擺桿(4)一端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的直線電機倒立擺，其特征在于在導(dǎo)軌(13)上 滑動的所述平臺(1)與直線電機的動子(15)固定連接，直線電機定子(16) 為長條凹槽狀，與導(dǎo)軌(13)同方向設(shè)置，可帶動平臺(1)沿導(dǎo)軌(13)移動 的所述動子(15)有間隙地插在所述定子(16)的長條凹槽內(nèi)，所述定子(16) 的長條凹槽開口為水平方向，所述導(dǎo)軌(13)為單根導(dǎo)軌(13)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機倒立擺，其特征在于在導(dǎo)軌(23)上滑 動的所述平臺(1)與直線電機的動子(25)固定連接，直線電機定子(26)為 長條形狀，與導(dǎo)軌(23)同方向設(shè)置、可帶動平臺(1)沿導(dǎo)軌(23)移動的所 述動子(25)有間隙地放置在所述定子(26)的上方，所述導(dǎo)軌為兩根的雙導(dǎo)軌(23)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機倒立擺，其特征在于所述倒立擺桿(4) 為若干級擺桿組成，在前一級擺桿的自由端連接一個U型塊(6)， U型塊上裝有 一個轉(zhuǎn)軸(3)，轉(zhuǎn)軸(3)的一端連有一個增量式角度編碼器(5)，另一端活動連 接有次級擺桿。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機倒立擺，其特征在于在所述導(dǎo)軌(13)和平臺a)之間設(shè)置有直線位移測量裝置套件，包括采集電機光柵信號和角度編 碼器信號的裝置。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的直線電機倒立擺，其特征在于采集電機光柵信號和角度編碼器信號的裝置與計算機控制卡連接，該卡內(nèi)設(shè)有信號處理模塊和計 算模塊。
專利摘要本實用新型涉及一種倒立擺系統(tǒng)，特別涉及一種直線電機倒立擺，屬于自動控制技術(shù)科研與教學(xué)實驗裝置的領(lǐng)域，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、控制效果穩(wěn)定的直線電機倒立擺，包括擺桿、電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)，倒立擺桿通過轉(zhuǎn)軸連接到底座上，底座直接固定在直線電機驅(qū)動平臺上，底座一側(cè)裝有一級增量式角度編碼器，另一側(cè)與倒立擺桿一端的轉(zhuǎn)軸螺紋連接，該系統(tǒng)具有位置和角度同時需要控制的特點，同時也克服了已有的旋轉(zhuǎn)式倒立擺雖然簡單但無直線位置反饋控制的缺點，是用于驗證控制理論的實驗平臺，直線電機是一種新型動力機構(gòu)，具有高速度、高精度、高加速度的直線電機來驅(qū)動倒立擺，結(jié)構(gòu)簡單合理，控制效果好；還可有四級或更多級形式的倒立擺。
文檔編號G09B25/00GK201302780SQ200820107698
公開日2009年9月2日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月28日
發(fā)明者周惠興, 趙建萍 申請人:趙建萍;周惠興