專利名稱：欠驅(qū)動懸擺運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適合控制理論與控制工程學(xué)科以及電力電子與電力傳動 學(xué)科學(xué)術(shù)研究要求的欠驅(qū)動控制實(shí)驗(yàn)裝置，屬于欠驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
在過去的50年間，空間飛行器及機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用不斷地推動著機(jī)械系 統(tǒng)和非線性系統(tǒng)分析和控制。 一直以來，機(jī)械系統(tǒng)和非線性控制理論的發(fā)展 都是相輔相成，相互促進(jìn)的。機(jī)械系統(tǒng)的多體控制問題和非線性系統(tǒng)仿射控 制問題的分析(如能控性、能觀性等)和控制設(shè)計(jì)(如穩(wěn)定性、輸出跟蹤等)都是 這種促進(jìn)在理論上的產(chǎn)物，其中仿射控制問題也成為了非線性控制理論的新 篇章。欠驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)是指控制輸入量少于系統(tǒng)自由度的機(jī)械系統(tǒng)。對欠驅(qū) 動機(jī)械系統(tǒng)的控制問題已經(jīng)受到了重視并成為非線性控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。 欠驅(qū)動系統(tǒng)廣泛存在，包括機(jī)器人、空間飛行器系統(tǒng)、航海系統(tǒng)、柔性系統(tǒng)、 移動系統(tǒng)和機(jī)車系統(tǒng)。因此，欠驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)的控制問題依然是當(dāng)今控制界 的一個熱點(diǎn)問題。欠驅(qū)動懸擺系統(tǒng)是欠驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)中一個重要組成部分，是指一個垂直 平面兩桿機(jī)械裝置，其結(jié)構(gòu)由一根連桿和一根擺桿組成，擺桿連接有一驅(qū)動 輸入，連桿繞肩部自由轉(zhuǎn)動，它具有兩個自由度卻只有一個控制輸入，是一 個典型的欠驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)，并已成為非線性控制理論研究的經(jīng)典模型。但是， 目前針對該類問題的研究還僅停留在數(shù)字仿真層面，缺少相應(yīng)的實(shí)物系統(tǒng)， 對于相關(guān)理論的實(shí)際應(yīng)用過程的認(rèn)識不夠直觀，使理論與實(shí)際脫節(jié)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決目前高等院?；蛳嚓P(guān)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行非線性控制理論學(xué)術(shù)研 究還停留在數(shù)值仿真層面、缺少相應(yīng)的實(shí)物系統(tǒng)、對于相關(guān)理論在實(shí)際應(yīng)用 過程中的認(rèn)識不夠直觀以及理論與實(shí)際脫節(jié)等問題，提供一種欠驅(qū)動懸擺運(yùn) 動控制實(shí)驗(yàn)裝置。本發(fā)明由上位計(jì)算機(jī)、兩軸運(yùn)動控制卡、直流電機(jī)驅(qū)動器、 直流伺服電機(jī)、同步傳動機(jī)構(gòu)、欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)和角度檢測器組成，上位計(jì)算機(jī)的輸入輸出端與兩軸運(yùn)動控制卡的上位輸入輸出端連接，兩軸運(yùn)動控制 卡的驅(qū)動輸入輸出端與直流電機(jī)驅(qū)動器的輸入輸出端連接，直流電機(jī)驅(qū)動器 的控制輸出端與直流伺服電機(jī)的控制輸入端連接，直流伺服電機(jī)的信號輸出 端與兩軸運(yùn)動控制卡的電機(jī)信號輸入端連接，直流伺服電機(jī)的輸出軸通過聯(lián) 軸節(jié)與欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)的輸入軸連接，欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)的輸入軸的輸入驅(qū)動 力矩通過同步傳動機(jī)構(gòu)傳遞給欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)的雙擺輸出軸，角度檢測器設(shè) 置在雙擺輸出軸上，角度檢測器的信號輸出端與兩軸運(yùn)動控制卡的檢測信號 輸入端連接。有益效果本發(fā)明具有性能穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、 成本低的優(yōu)點(diǎn)，它適用于欠驅(qū)動非線性機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動控制、機(jī)械電子裝置非 線性控制、非線性控制理論應(yīng)用等學(xué)術(shù)研究，同時也適用于高等學(xué)校機(jī)電一 體化、電力電子與電力傳動、控制理論與控制工程等專業(yè)的專業(yè)實(shí)習(xí)、課程 設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)研究，可作為電機(jī)類、控制類本科生及研究生的開放性試驗(yàn)平臺， 為其認(rèn)識和掌握現(xiàn)代直流伺服系統(tǒng)的組成、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器應(yīng)用以及控制 理論的應(yīng)用奠定必要的基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是兩軸運(yùn)動控制卡2的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一參見圖1，本實(shí)施方式由上位計(jì)算機(jī)l、兩軸運(yùn)動控制 卡2、直流電機(jī)驅(qū)動器3、直流伺服電機(jī)4、同步傳動機(jī)構(gòu)5、欠驅(qū)動懸擺機(jī) 構(gòu)6和角度檢測器7組成，上位計(jì)算機(jī)1的輸入輸出端與兩軸運(yùn)動控制卡2 的上位輸入輸出端連接，兩軸運(yùn)動控制卡2的驅(qū)動輸入輸出端與直流電機(jī)驅(qū) 動器3的輸入輸出端連接，直流電機(jī)驅(qū)動器3的控制輸出端與直流伺服電機(jī) 4的控制輸入端連接，直流伺服電機(jī)4的信號輸出端與兩軸運(yùn)動控制卡2的 電機(jī)信號輸入端連接，直流伺服電機(jī)4的輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)8與欠驅(qū)動懸擺 機(jī)構(gòu)6的輸入軸連接，欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)6的輸入軸6-1的輸入驅(qū)動力矩通過 同步傳動機(jī)構(gòu)5傳遞給欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)6的雙擺輸出軸6-2，角度檢測器7 設(shè)置在雙擺輸出軸6-2上，角度檢測器7的信號輸出端與兩軸運(yùn)動控制卡2的檢測信號輸入端連接。兩軸運(yùn)動控制卡2可采用基于LPC2119的雙軸運(yùn)動控制卡，并且采用 Philip公司生產(chǎn)的ARM7芯片作為該雙軸運(yùn)動控制卡的核心控制器；直流電 機(jī)驅(qū)動器3可采用PWM方式驅(qū)動直流電機(jī)，由UC3637芯片和L6203芯片 分別承擔(dān)PWM波和直流電機(jī)的驅(qū)動；直流伺服電機(jī)4可采用SANY0511T 型伺服電機(jī)，同步傳動機(jī)構(gòu)5可采用伏龍120-XL-037、 36-XL-BF、 12-XL-BF 型傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)，傳動比為3: 1。首先由上位計(jì)算機(jī)1內(nèi)置的軟件根據(jù)所要求的懸擺控制目標(biāo)計(jì)算出控制 信號，通過串口通訊程序送入兩軸運(yùn)動控制卡2中，通過運(yùn)動控制卡內(nèi)置的 電機(jī)三環(huán)控制程序計(jì)算出具體的驅(qū)動信號，通過DA端口送入直流電機(jī)驅(qū)動 器3中，經(jīng)過變換后驅(qū)動直流伺服電機(jī)4，通過直流伺服電機(jī)4的旋轉(zhuǎn)帶動 同步傳動機(jī)構(gòu)5將力矩輸入至欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)6，形成懸擺運(yùn)動。在懸擺運(yùn) 動過程中，不斷通過角度檢測器7和電機(jī)自帶角度檢測器檢測出角度信號并 送入兩軸運(yùn)動控制卡2中，經(jīng)過計(jì)算后通過串行接口送回至上位計(jì)算機(jī)1， 再由上位計(jì)算機(jī)1計(jì)算出新的控制信號，這樣循環(huán)往復(fù)直至達(dá)到所設(shè)定的懸 擺運(yùn)動控制目標(biāo)。
具體實(shí)施方式
二參見圖2，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在 于所述兩軸運(yùn)動控制卡2由LPC2119控制芯片2-1、 EPM7128正交脈沖鑒相 計(jì)數(shù)板2-2、 A/D轉(zhuǎn)換器2-3、 D/A轉(zhuǎn)換器2-4、數(shù)字量輸入電路2-5、數(shù)字量 輸出電路2-6、 RS-232通訊接口 2-7、 RS-485通訊接口 2-8和CAN總線通訊 接口 2-9組成，EPM7128正交脈沖鑒相計(jì)數(shù)板2-2與LPC2119控制芯片2-1 的脈沖鑒相信號輸出端口連接，A/D轉(zhuǎn)換器2-3與LPC2119控制芯片2-1的 模數(shù)SPI端口連接，D/A轉(zhuǎn)換器2-4與LPC2119控制芯片2-1的數(shù)模SPI端 口連接，數(shù)字量輸入電路2-5與LPC2119控制芯片2-1的數(shù)字量輸入端口連 接，數(shù)字量輸出電路2-6與LPC2119控制芯片2-l的數(shù)字量輸出端口連接， RS-232通訊接口 2-7與LPC2119控制芯片2-1的RS-232端口連接、RS-485 通訊接口 2-8與LPC2119控制芯片2-1的RS-485端口連接，CAN總線通訊 接口 2-9與LPC2119控制芯片2-1的CAN端口連接。權(quán)利要求
1. 欠驅(qū)動懸擺運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于它由上位計(jì)算機(jī)(1)、兩軸運(yùn)動控制卡(2)、直流電機(jī)驅(qū)動器(3)、直流伺服電機(jī)(4)、同步傳動機(jī)構(gòu)(5)、欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)(6)和角度檢測器(7)組成，上位計(jì)算機(jī)(1)的輸入輸出端與兩軸運(yùn)動控制卡(2)的上位輸入輸出端連接，兩軸運(yùn)動控制卡(2)的驅(qū)動輸入輸出端與直流電機(jī)驅(qū)動器(3)的輸入輸出端連接，直流電機(jī)驅(qū)動器(3)的控制輸出端與直流伺服電機(jī)(4)的控制輸入端連接，直流伺服電機(jī)(4)的信號輸出端與兩軸運(yùn)動控制卡(2)的電機(jī)信號輸入端連接，直流伺服電機(jī)(4)的輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)(8)與欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)(6)的輸入軸(6-1)連接，欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)(6)的輸入軸(6-1)的輸入驅(qū)動力矩通過同步傳動機(jī)構(gòu)(5)傳遞給欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)(6)的雙擺輸出軸(6-2)，角度檢測器(7)設(shè)置在雙擺輸出軸(6-2)上，角度檢測器(7)的信號輸出端與兩軸運(yùn)動控制卡(2)的檢測信號輸入端連接。
2、 基于權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動懸擺運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所 述兩軸運(yùn)動控制卡(2)由LPC2119控制芯片(2-1)、 EPM7128正交脈沖鑒相計(jì)數(shù) 板(2-2)、 A/D轉(zhuǎn)換器(2-3)、 D/A轉(zhuǎn)換器(2-4)、數(shù)字量輸入電路(2-5)、數(shù)字量輸 出電路(2-6)、 RS-232通訊接口(2-7)、 RS-485通訊接口(2-8)和CAN總線通訊 接口(2-9)組成，EPM7128正交脈沖鑒相計(jì)數(shù)板(2-2)與LPC2119控制芯片(2-l) 的脈沖鑒相信號輸出端口連接，A/D轉(zhuǎn)換器(2-3)與LPC2119控制芯片(2-l)的 模數(shù)SPI端口連接，D/A轉(zhuǎn)換器(2-4)與LPC2119控制芯片(2-l)的數(shù)模SPI端 口連接，數(shù)字量輸入電路(2-5)與LPC2119控制芯片(2-l)的數(shù)字量輸入端口連 接，數(shù)字量輸出電路(2-6)與LPC2119控制芯片(2-l)的數(shù)字量輸出端口連接， RS-232通訊接口(2-7)與LPC2119控制芯片(2-l)的RS-232端口連接、RS-485 通訊接口(2-8)與LPC2119控制芯片(2-l)的RS-485端口連接，CAN總線通訊 接口(2-9)與LPC2119控制芯片(2-l)的CAN端口連接。
全文摘要
欠驅(qū)動懸擺運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)裝置，它是一種適合控制理論與控制工程以及電子與傳動學(xué)科學(xué)術(shù)研究的欠驅(qū)動控制實(shí)驗(yàn)裝置，以解決目前高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)進(jìn)行非線性控制理論學(xué)術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)裝置還停留在數(shù)值仿真層面、缺少相應(yīng)的實(shí)物系統(tǒng)、理論與實(shí)際脫節(jié)的問題。兩軸運(yùn)動控制卡的上位輸入輸出端和驅(qū)動輸入輸出端分別與上位計(jì)算機(jī)的輸入輸出端和直流電機(jī)驅(qū)動器的輸入輸出端連接，直流電機(jī)驅(qū)動器的控制輸出端與直流伺服電機(jī)的控制輸入端連接，直流伺服電機(jī)和角度檢測器的信號輸出端分別與兩軸運(yùn)動控制卡的信號輸入端連接，直流伺服電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)與欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)的輸入軸連接，欠驅(qū)動懸擺機(jī)構(gòu)的輸入軸的輸入驅(qū)動力矩通過同步傳動機(jī)構(gòu)傳遞給雙擺輸出軸。
文檔編號G09B25/00GK101261784SQ200810064459
公開日2008年9月10日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者張曉華, 石如冬, 程紅太, 趙旖旎, 陳宏鈞 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)