專利名稱：欠驅動懸擺運動控制實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適合控制理論與控制工程學科以及電力電子與電力傳動 學科學術研究要求的欠驅動控制實驗裝置，屬于欠驅動機械系統控制技術領 域。
背景技術：
在過去的50年間，空間飛行器及機器人系統的應用不斷地推動著機械系 統和非線性系統分析和控制。 一直以來，機械系統和非線性控制理論的發展 都是相輔相成，相互促進的。機械系統的多體控制問題和非線性系統仿射控 制問題的分析(如能控性、能觀性等)和控制設計(如穩定性、輸出跟蹤等)都是 這種促進在理論上的產物，其中仿射控制問題也成為了非線性控制理論的新 篇章。欠驅動機械系統是指控制輸入量少于系統自由度的機械系統。對欠驅 動機械系統的控制問題已經受到了重視并成為非線性控制領域的熱點之一。 欠驅動系統廣泛存在，包括機器人、空間飛行器系統、航海系統、柔性系統、 移動系統和機車系統。因此，欠驅動機械系統的控制問題依然是當今控制界 的一個熱點問題。欠驅動懸擺系統是欠驅動機械系統中一個重要組成部分，是指一個垂直 平面兩桿機械裝置，其結構由一根連桿和一根擺桿組成，擺桿連接有一驅動 輸入，連桿繞肩部自由轉動，它具有兩個自由度卻只有一個控制輸入，是一 個典型的欠驅動機械系統，并已成為非線性控制理論研究的經典模型。但是， 目前針對該類問題的研究還僅停留在數字仿真層面，缺少相應的實物系統， 對于相關理論的實際應用過程的認識不夠直觀，使理論與實際脫節。發明內容本發明為解決目前高等院校或相關科研機構進行非線性控制理論學術研 究還停留在數值仿真層面、缺少相應的實物系統、對于相關理論在實際應用 過程中的認識不夠直觀以及理論與實際脫節等問題，提供一種欠驅動懸擺運 動控制實驗裝置。本發明由上位計算機、兩軸運動控制卡、直流電機驅動器、 直流伺服電機、同步傳動機構、欠驅動懸擺機構和角度檢測器組成，上位計算機的輸入輸出端與兩軸運動控制卡的上位輸入輸出端連接，兩軸運動控制 卡的驅動輸入輸出端與直流電機驅動器的輸入輸出端連接，直流電機驅動器 的控制輸出端與直流伺服電機的控制輸入端連接，直流伺服電機的信號輸出 端與兩軸運動控制卡的電機信號輸入端連接，直流伺服電機的輸出軸通過聯 軸節與欠驅動懸擺機構的輸入軸連接，欠驅動懸擺機構的輸入軸的輸入驅動 力矩通過同步傳動機構傳遞給欠驅動懸擺機構的雙擺輸出軸，角度檢測器設 置在雙擺輸出軸上，角度檢測器的信號輸出端與兩軸運動控制卡的檢測信號 輸入端連接。有益效果本發明具有性能穩定、精度高、抗干擾能力強、結構緊湊、 成本低的優點，它適用于欠驅動非線性機械系統運動控制、機械電子裝置非 線性控制、非線性控制理論應用等學術研究，同時也適用于高等學校機電一 體化、電力電子與電力傳動、控制理論與控制工程等專業的專業實習、課程 設計等實驗研究，可作為電機類、控制類本科生及研究生的開放性試驗平臺， 為其認識和掌握現代直流伺服系統的組成、機構設計、傳感器應用以及控制 理論的應用奠定必要的基礎。
圖1是本發明的整體結構示意圖；圖2是兩軸運動控制卡2的結構示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一參見圖1，本實施方式由上位計算機l、兩軸運動控制 卡2、直流電機驅動器3、直流伺服電機4、同步傳動機構5、欠驅動懸擺機 構6和角度檢測器7組成，上位計算機1的輸入輸出端與兩軸運動控制卡2 的上位輸入輸出端連接，兩軸運動控制卡2的驅動輸入輸出端與直流電機驅 動器3的輸入輸出端連接，直流電機驅動器3的控制輸出端與直流伺服電機 4的控制輸入端連接，直流伺服電機4的信號輸出端與兩軸運動控制卡2的 電機信號輸入端連接，直流伺服電機4的輸出軸通過聯軸節8與欠驅動懸擺 機構6的輸入軸連接，欠驅動懸擺機構6的輸入軸6-1的輸入驅動力矩通過 同步傳動機構5傳遞給欠驅動懸擺機構6的雙擺輸出軸6-2，角度檢測器7 設置在雙擺輸出軸6-2上，角度檢測器7的信號輸出端與兩軸運動控制卡2的檢測信號輸入端連接。兩軸運動控制卡2可采用基于LPC2119的雙軸運動控制卡，并且采用 Philip公司生產的ARM7芯片作為該雙軸運動控制卡的核心控制器；直流電 機驅動器3可采用PWM方式驅動直流電機，由UC3637芯片和L6203芯片 分別承擔PWM波和直流電機的驅動；直流伺服電機4可采用SANY0511T 型伺服電機，同步傳動機構5可采用伏龍120-XL-037、 36-XL-BF、 12-XL-BF 型傳統機構，傳動比為3: 1。首先由上位計算機1內置的軟件根據所要求的懸擺控制目標計算出控制 信號，通過串口通訊程序送入兩軸運動控制卡2中，通過運動控制卡內置的 電機三環控制程序計算出具體的驅動信號，通過DA端口送入直流電機驅動 器3中，經過變換后驅動直流伺服電機4，通過直流伺服電機4的旋轉帶動 同步傳動機構5將力矩輸入至欠驅動懸擺機構6，形成懸擺運動。在懸擺運 動過程中，不斷通過角度檢測器7和電機自帶角度檢測器檢測出角度信號并 送入兩軸運動控制卡2中，經過計算后通過串行接口送回至上位計算機1， 再由上位計算機1計算出新的控制信號，這樣循環往復直至達到所設定的懸 擺運動控制目標。
具體實施方式
二參見圖2，本實施方式與具體實施方式
一的不同點在 于所述兩軸運動控制卡2由LPC2119控制芯片2-1、 EPM7128正交脈沖鑒相 計數板2-2、 A/D轉換器2-3、 D/A轉換器2-4、數字量輸入電路2-5、數字量 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正交脈沖鑒相計數板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轉換器2-3與LPC2119控制芯片2-1的 模數SPI端口連接，D/A轉換器2-4與LPC2119控制芯片2-1的數模SPI端 口連接，數字量輸入電路2-5與LPC2119控制芯片2-1的數字量輸入端口連 接，數字量輸出電路2-6與LPC2119控制芯片2-l的數字量輸出端口連接， 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。權利要求
1. 欠驅動懸擺運動控制實驗裝置，其特征在于它由上位計算機(1)、兩軸運動控制卡(2)、直流電機驅動器(3)、直流伺服電機(4)、同步傳動機構(5)、欠驅動懸擺機構(6)和角度檢測器(7)組成，上位計算機(1)的輸入輸出端與兩軸運動控制卡(2)的上位輸入輸出端連接，兩軸運動控制卡(2)的驅動輸入輸出端與直流電機驅動器(3)的輸入輸出端連接，直流電機驅動器(3)的控制輸出端與直流伺服電機(4)的控制輸入端連接，直流伺服電機(4)的信號輸出端與兩軸運動控制卡(2)的電機信號輸入端連接，直流伺服電機(4)的輸出軸通過聯軸節(8)與欠驅動懸擺機構(6)的輸入軸(6-1)連接，欠驅動懸擺機構(6)的輸入軸(6-1)的輸入驅動力矩通過同步傳動機構(5)傳遞給欠驅動懸擺機構(6)的雙擺輸出軸(6-2)，角度檢測器(7)設置在雙擺輸出軸(6-2)上，角度檢測器(7)的信號輸出端與兩軸運動控制卡(2)的檢測信號輸入端連接。
2、 基于權利要求1所述的欠驅動懸擺運動控制實驗裝置，其特征在于所 述兩軸運動控制卡(2)由LPC2119控制芯片(2-1)、 EPM7128正交脈沖鑒相計數 板(2-2)、 A/D轉換器(2-3)、 D/A轉換器(2-4)、數字量輸入電路(2-5)、數字量輸 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正交脈沖鑒相計數板(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轉換器(2-3)與LPC2119控制芯片(2-l)的 模數SPI端口連接，D/A轉換器(2-4)與LPC2119控制芯片(2-l)的數模SPI端 口連接，數字量輸入電路(2-5)與LPC2119控制芯片(2-l)的數字量輸入端口連 接，數字量輸出電路(2-6)與LPC2119控制芯片(2-l)的數字量輸出端口連接， 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
欠驅動懸擺運動控制實驗裝置，它是一種適合控制理論與控制工程以及電子與傳動學科學術研究的欠驅動控制實驗裝置，以解決目前高校或科研機構進行非線性控制理論學術研究的實驗裝置還停留在數值仿真層面、缺少相應的實物系統、理論與實際脫節的問題。兩軸運動控制卡的上位輸入輸出端和驅動輸入輸出端分別與上位計算機的輸入輸出端和直流電機驅動器的輸入輸出端連接，直流電機驅動器的控制輸出端與直流伺服電機的控制輸入端連接，直流伺服電機和角度檢測器的信號輸出端分別與兩軸運動控制卡的信號輸入端連接，直流伺服電機的輸出軸通過聯軸節與欠驅動懸擺機構的輸入軸連接，欠驅動懸擺機構的輸入軸的輸入驅動力矩通過同步傳動機構傳遞給雙擺輸出軸。
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 優先權日2008年5月7日
發明者張曉華, 石如冬, 程紅太, 趙旖旎, 陳宏鈞 申請人:哈爾濱工業大學