專利名稱：小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種自動(dòng)控制儀器，尤其是涉及一種教學(xué)用的小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器。
技術(shù)背景目前，在自動(dòng)控制教學(xué)儀器領(lǐng)域，采用水箱系統(tǒng)和多級(jí)擺系統(tǒng)進(jìn)行算法演示和實(shí)驗(yàn)非常 普遍；而市場(chǎng)上現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器中，包括有位置采集模塊，伺服運(yùn)動(dòng)控制模塊、伺服電機(jī)以 及設(shè)置在伺服電機(jī)上的傳感器，通過(guò)位置采集模塊采集實(shí)驗(yàn)物體的實(shí)時(shí)平面坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn) 物體的平衡控制。伺服控制方式主要是伺服控制器配合一定的傳感器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)控 制(通常采用伺服電機(jī)加旋轉(zhuǎn)編碼器的方式來(lái)構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制)；在人機(jī)界面的表現(xiàn)方法 和手段上，采用按鍵加液晶圖形顯示的方法。但為了防止硬件本身的損壞，很多設(shè)備限制了 演示的功能或者參數(shù)的范圍，可用于設(shè)定的參數(shù)數(shù)量也非常有限，允許用戶自定義的算法往 往不能深入硬件底層，從而限制了算法驗(yàn)證本身的效果和意義。這類實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多體積巨大 成本高昂，演示內(nèi)容往往固定且單一，開(kāi)放性和交互性較差。并且只能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)物體在平面 上的平衡控制。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可對(duì)小球進(jìn)行軌跡控制的小球平面運(yùn)動(dòng)控制 儀器。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，包括形成閉 合控制回路的位置采集模塊、伺服運(yùn)動(dòng)控制模塊、伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、與伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的第 一轉(zhuǎn)軸以及設(shè)置在伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的傳感器，在閉合控制回路中還設(shè)置有與第一轉(zhuǎn)軸交錯(cuò)連 接在一起的第二轉(zhuǎn)軸，第一轉(zhuǎn)軸與第二轉(zhuǎn)軸均作用于位置采集模塊上，在第一轉(zhuǎn)軸與第二轉(zhuǎn) 軸上均連接有伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)。進(jìn)一步的是，所述傳感器為設(shè)置在第一轉(zhuǎn)軸與第二轉(zhuǎn)軸端部的電位器。進(jìn)一步的是，第一轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有第一運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，第二轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有第二運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，第二 轉(zhuǎn)軸設(shè)置在第一運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。進(jìn)一步的是，在閉合控制回路中設(shè)置有電可擦除只讀存儲(chǔ)器。進(jìn)一步的是，在閉合控制回路中還設(shè)置有flash程序存儲(chǔ)器。進(jìn)一步的是，在閉合控制回路中設(shè)置有操控板。進(jìn)一步的是，在閉合控制回路中還設(shè)置有顯示屏。本實(shí)用新型的有益效果是通過(guò)設(shè)置的雙軸伺服運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，通過(guò)位置采集模塊采集 實(shí)驗(yàn)物體的實(shí)時(shí)平面坐標(biāo)，并且根據(jù)該坐標(biāo)與設(shè)定坐標(biāo)的差值向伺服電機(jī)控制器發(fā)出傾角修 改指令，從而形成坐標(biāo)一傾角一坐標(biāo)的大閉環(huán)控制系統(tǒng)；通過(guò)采集連接在各伺服電機(jī)上旋轉(zhuǎn) 編碼器可獲取實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度信號(hào)，控制器根據(jù)該信號(hào)與規(guī)劃的目標(biāo)角度之差，通過(guò)基于位置 環(huán)的PID運(yùn)算，修改發(fā)到伺服電機(jī)的PWM (脈寬調(diào)制，即高低電平的持續(xù)時(shí)間比值)，改變平 面傾角，從而保證平面傾角任意精確可控，形成傾角一PWM—傾角的小閉環(huán)控制系統(tǒng)。不僅 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)物體在平面上的平衡控制，并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)物體的定位乃至軌跡控制功能，而 通過(guò)設(shè)置的電可擦除只讀存儲(chǔ)器24，可實(shí)現(xiàn)對(duì)程序與參數(shù)的修改，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功 能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。


圖l是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2是本實(shí)用新型的人機(jī)交互界面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖3是圖1的俯視圖。圖中標(biāo)記為，電位器l、同步帶2、小同步帶輪3、伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)4、第一運(yùn)動(dòng)平臺(tái)5、第 二運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6、電位器固定座7、伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)8、大同步帶輪9、底座IO、伺服運(yùn)動(dòng)控制模塊 11、支承軸12、軸承座13、支承架14、第一轉(zhuǎn)軸15、位置采集模塊16、主控制器17、小球18 、實(shí)驗(yàn)小球運(yùn)動(dòng)軌跡19、第二轉(zhuǎn)軸20、電位器21、顯示屏22、操控按鍵23、電可擦除只讀存 儲(chǔ)器24、 flash程序存儲(chǔ)器25。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。如圖l、圖2、圖3所示，本實(shí)用新型的小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，包括形成閉合控制回路 的位置采集模塊16、伺服運(yùn)動(dòng)控制模塊ll、伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、與伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的第一轉(zhuǎn)軸 15以及設(shè)置在伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的傳感器，在閉合控制回路中還設(shè)置有與第一轉(zhuǎn)軸15交錯(cuò)連接 在一起的第二轉(zhuǎn)軸20，第一轉(zhuǎn)軸15與第二轉(zhuǎn)軸20均作用于位置采集模塊16上，在第一轉(zhuǎn)軸15 與第二轉(zhuǎn)軸20上連接有伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)4、 8。通過(guò)交錯(cuò)連接在一起的第一轉(zhuǎn)軸15與第二轉(zhuǎn)軸20 ，這樣在位置采集模塊16、主控制器17與伺服運(yùn)動(dòng)控制模塊形成的閉合回路中，通過(guò)位置采 集模塊16采集小球18的實(shí)時(shí)平面坐標(biāo)，并且根據(jù)該坐標(biāo)與設(shè)定坐標(biāo)的差值向伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)4 、8發(fā)出傾角修改指令，從而形成坐標(biāo)一傾角一坐標(biāo)的大閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)采集連接在伺 服驅(qū)動(dòng)電機(jī)4、 8上的傳感器可獲取實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度信號(hào)，控制器根據(jù)該信號(hào)與規(guī)劃的目標(biāo)角度之差，通過(guò)基于位置環(huán)的PID運(yùn)算，修改發(fā)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM (脈寬調(diào)制，即高低電平的持續(xù) 時(shí)間比值)，改變平面傾角，從而保證平面傾角任意精確可控，形成傾角一PWM—傾角的小 閉環(huán)控制系統(tǒng)。使得小球18在位置采集模塊16上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，可以根據(jù)設(shè)置的雙軸伺服運(yùn)動(dòng) 控制機(jī)構(gòu)，不停地修正轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小球18沿設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)小 球18在平面上的平衡控制，并且能實(shí)現(xiàn)小球18的定位乃至軌跡控制功能。為了能精確控制運(yùn)動(dòng)軸的角度偏移，所述傳感器為設(shè)置在第一轉(zhuǎn)軸15與第二轉(zhuǎn)軸20端部 的電位器l、 21。通過(guò)電位器1與電位器21采集連接在第一轉(zhuǎn)軸15與第二轉(zhuǎn)軸20上的伺服驅(qū)動(dòng) 電機(jī)4、 8的轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息，可獲取實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度信號(hào)。將采集角度信息傳回伺服運(yùn)動(dòng)控制模 塊11來(lái)達(dá)到控制位置采集模塊16上小球18的軌跡。當(dāng)然，傳感器也可以采用旋轉(zhuǎn)編碼器、絕 對(duì)值編碼器、帶復(fù)位點(diǎn)的相對(duì)編碼器等實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度采集。為了能使小球18在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候能直觀的看出系統(tǒng)的控制效果，第一轉(zhuǎn)軸15上設(shè)置有第一 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)5，第二轉(zhuǎn)軸20上設(shè)置有第二運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6，第二轉(zhuǎn)軸20設(shè)置在第一運(yùn)動(dòng)平臺(tái)5上。為了方便用戶下次繼續(xù)使用，在閉合控制回路中設(shè)置有電可擦除只讀存儲(chǔ)器24。通過(guò)設(shè) 置的電可擦除只讀存儲(chǔ)器24，可將設(shè)定結(jié)束后的數(shù)據(jù)保持在電可擦除只讀存儲(chǔ)器24中，即使 在斷電的情況下，仍然能將設(shè)定結(jié)束后的數(shù)據(jù)保存下來(lái)，方便下次實(shí)驗(yàn)的時(shí)候繼續(xù)使用，并 且可以通過(guò)修改電可擦除只讀存儲(chǔ)器24中的參數(shù)值與程序，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能，從而 實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。而為了實(shí)現(xiàn)對(duì)小球18運(yùn)動(dòng)控制的程序進(jìn)行修改，在閉合控制回路中還設(shè)置有flash程序 存儲(chǔ)器25。這樣就可以將程序設(shè)置在flash程序存儲(chǔ)器25中，而電可擦除只讀存儲(chǔ)器24中只 存儲(chǔ)參數(shù)，這樣修改程序僅在flash程序存儲(chǔ)器25中進(jìn)行修改，而通過(guò)修改存儲(chǔ)在flash程序 存儲(chǔ)器25中的程序，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)小球18運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，實(shí)現(xiàn)小球18沿不同的軌跡運(yùn)動(dòng)。為方便用戶能很方便地進(jìn)行控制，在閉合控制回路中設(shè)置有操控板23。不僅可以很方便 的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制，還可以通過(guò)操控板23對(duì)系統(tǒng)隨時(shí)做出控制軌跡修改，使小球18沿設(shè)定的運(yùn) 動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，為了能將控制過(guò)程用數(shù)字、圖形、函數(shù)圖像等方式顯示出來(lái)，在閉合控制回路 中還設(shè)置有顯示屏22。
權(quán)利要求1. 小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，包括形成閉合控制回路的位置采集模塊(16)、伺服運(yùn)動(dòng)控制模塊(11)、伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、與伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的第一轉(zhuǎn)軸(15)以及設(shè)置在伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的傳感器，其特征是在閉合控制回路中還設(shè)置有與第一轉(zhuǎn)軸(15)交錯(cuò)連接在一起的第二轉(zhuǎn)軸(20)，第一轉(zhuǎn)軸(15)與第二轉(zhuǎn)軸(20)均作用于位置采集模塊(16)上，在第一轉(zhuǎn)軸(15)與第二轉(zhuǎn)軸(20)上連接有伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)(4、8)。
2.如權(quán)利要求l所述的小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，其特征是所述傳感 器為設(shè)置在第一轉(zhuǎn)軸(15)與第二轉(zhuǎn)軸(20)端部的電位器(1、 21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，其特征是第 一轉(zhuǎn)軸(15)上設(shè)置有第一運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(5)，第二轉(zhuǎn)軸(20)上設(shè)置有第二運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(6)， 第二轉(zhuǎn)軸(20)設(shè)置在第一運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(5)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，其特征是在 閉合控制回路中設(shè)置有電可擦除只讀存儲(chǔ)器(24)。
5.如權(quán)利要求4所述的小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，其特征是在閉合控 制回路中還設(shè)置有flash程序存儲(chǔ)器(25)。
6.如權(quán)利要求l所述的小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，其特征是在閉合控 制回路中設(shè)置有操控板(23)。
7.如權(quán)利要求4所述的小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，其特征是在閉合控 制回路中還設(shè)置有顯示屏(22)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種教學(xué)用的小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，具有可對(duì)小球進(jìn)行軌跡控制的優(yōu)點(diǎn)，該小球平面運(yùn)動(dòng)控制儀器，包括形成閉合控制回路的位置采集模塊、伺服運(yùn)動(dòng)控制模塊、伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、與伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的第一轉(zhuǎn)軸以及設(shè)置在伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的傳感器，在閉合控制回路中還設(shè)置有與第一轉(zhuǎn)軸交錯(cuò)連接在一起的第二轉(zhuǎn)軸，第一轉(zhuǎn)軸與第二轉(zhuǎn)軸均作用于位置采集模塊上，在第一轉(zhuǎn)軸與第二轉(zhuǎn)軸上連接有伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)設(shè)置的雙軸伺服運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，不僅可以實(shí)現(xiàn)小球在平面上的平衡控制，并且能實(shí)現(xiàn)小球的定位乃至軌跡控制功能。尤其適合在學(xué)校、研究機(jī)構(gòu)等場(chǎng)所推廣使用。
文檔編號(hào)G09B25/02GK201130473SQ20072020063
公開(kāi)日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月9日
發(fā)明者健 吳, 皇 唐, 華 張, 科 張, 馨 戴, 李家會(huì), 姮 王, 王卓然, 磊 童, 胡天鏈, 剛 陳 申請(qǐng)人:西南科技大學(xué)