專利名稱：直線電機(jī)倒立擺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種倒立擺系統(tǒng)，特別涉及一種直線電機(jī)倒立擺，屬 于自動(dòng)控制技術(shù)科研與教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)非線性自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，是進(jìn)行控制理論教學(xué)及開 展各種控制策略的理想驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)證試驗(yàn)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(jī)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(shí)際應(yīng)用中的可行性 需要一個(gè)按其理論設(shè)計(jì)的控制器去控制一個(gè)典型對象來驗(yàn)證。倒立擺就是 這樣一個(gè)被控制對象。倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)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(dòng)問題、鎮(zhèn)定問題及跟蹤問題等。倒立擺系 統(tǒng)作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)間直接度量。其實(shí)驗(yàn)效果直觀、顯 著。當(dāng)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(shí)用性加 以物理驗(yàn)證，并對各種方法進(jìn)行快捷、有效、生動(dòng)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(gè)活動(dòng)的"鉸 鏈"豎直安裝在小車上，小車與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，傳動(dòng)機(jī)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(jī)通過上述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小車在導(dǎo)軌上做水平直線運(yùn)動(dòng) 來控制擺桿的倒立。由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)多，實(shí)踐中常由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 的故障誤差而不是控制方法本身的問題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，因而可靠性較低。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的以上缺點(diǎn)，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(jī)倒立擺。 本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
本實(shí)用新型的一種直線電機(jī)倒立擺，包括擺桿、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī) 驅(qū)動(dòng)的平臺上，轉(zhuǎn)軸一側(cè)裝有一個(gè)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(shí)用新型所述的直線電機(jī)倒立擺，其中在導(dǎo)軌上滑動(dòng)的所述平臺 與直線電機(jī)的動(dòng)子固定連接，直線電機(jī)定子為長條凹槽狀，與導(dǎo)軌同方向 設(shè)置，可帶動(dòng)平臺沿導(dǎo)軌移動(dòng)的所述動(dòng)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(shí)用新型所述的直線電機(jī)倒立擺，其中在導(dǎo)軌上滑動(dòng)的所述平臺 與直線電機(jī)的動(dòng)子固定連接，直線電機(jī)定子為長條形狀，與導(dǎo)軌同方向設(shè) 置、可帶動(dòng)平臺沿導(dǎo)軌移動(dòng)的所述動(dòng)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(shí)用新型所述的直線電機(jī)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(gè)U型塊，U型塊上裝有一個(gè)軸，軸 的一端連有一個(gè)增量式角度編碼器，另一端活動(dòng)連接有次級擺桿。
本實(shí)用新型所述的直線電機(jī)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(shí)用新型所述的直線電機(jī)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(gè)U型塊，U型塊上裝有一個(gè)軸，軸的一端連有 一個(gè)二級增量式角度編碼器，另一端活動(dòng)連接有二級擺桿。
本實(shí)用新型所述的直線電機(jī)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(gè)U型塊，U型塊上裝有一個(gè)軸，軸的一端連有 一個(gè)三級增量式角度編碼器，另一端活動(dòng)連接有三級擺桿。
本實(shí)用新型所述的直線電機(jī)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(jī)光柵信號和角度編碼器信號的 裝置。本實(shí)用新型所述的直線電機(jī)倒立擺，其中采集電機(jī)光柵信號和角度 編碼器信號的裝置與計(jì)算機(jī)控制卡連接，該卡內(nèi)設(shè)有信號處理模塊和計(jì)算 模塊，計(jì)算結(jié)果通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化為控制信號由計(jì)算機(jī)將控制信號送給控制 卡及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器按照控制卡內(nèi)的控制信號驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，控 制擺桿位于豎直位置附近不倒。
本實(shí)用新型具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)
本實(shí)用新型采用具有高速度、高精度、高加速度的直線電機(jī)來驅(qū)動(dòng)倒 立擺，直線電機(jī)是一種新型的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)簡單合理，而且有很好 的控制效果；本實(shí)用新型直線電機(jī)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(shí)需要控制的特點(diǎn)，同時(shí)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(diǎn)，是一個(gè)很好的 用于驗(yàn)證控制理論的實(shí)驗(yàn)平臺。在本實(shí)用新型的直線電機(jī)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(shí)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(shí)用新型的直線電機(jī)倒立擺的一級倒立擺正面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3:表示本實(shí)用新型的直線電機(jī)倒立擺的一級倒立擺立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4:表示本實(shí)用新型的直線電機(jī)倒立擺的二級倒立擺立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5:表示本實(shí)用新型的直線電機(jī)倒立擺的二級倒立擺正面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6:表示本實(shí)用新型的另一種直線電機(jī)倒立擺的二級倒立擺立體結(jié)構(gòu) 示意圖。
圖7:表示本實(shí)用新型的直線電機(jī)倒立擺的三級倒立擺立體結(jié)構(gòu)示意 圖。
圖8:表示本實(shí)用新型的直線電機(jī)倒立擺的三級倒立擺正面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9:表示本實(shí)用新型的直線電機(jī)倒立擺的一級倒立擺工作流程圖。 圖10:表示本實(shí)用新型的直線電機(jī)倒立擺的二級倒立擺工作流程圖。 圖11:表示本實(shí)用新型的直線電機(jī)倒立擺的三級倒立擺工作流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步介紹，但不作為對 本實(shí)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(gè)活動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，傳動(dòng)方式可以是多種形式如傳動(dòng)帶11和 導(dǎo)輪12組成的動(dòng)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(jī)9 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)帶11、從而帶動(dòng)小車10在導(dǎo)軌13上做水平往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)來控制 擺桿的倒立。由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)多，實(shí)踐中常由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障 誤差而不是控制方法本身的問題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，因而可靠性較低。
因此，本實(shí)用新型采用直線電機(jī)作為倒立擺的動(dòng)力源，減小傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 的誤差，提高試驗(yàn)的可靠性。如圖2所示，表示本實(shí)用新型的直線電機(jī)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(shí)用新型的 一種直線電機(jī)倒立擺，包括擺桿4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)的平臺1上，轉(zhuǎn)軸3 —側(cè)裝有一個(gè)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(shí)用新型的直線電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)的平臺1上固定有底座2，底座2 —側(cè)裝有一個(gè)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(dòng)的所述 平臺1與直線電機(jī)的動(dòng)子15固定連接，直線電機(jī)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(dòng)平臺1沿導(dǎo)軌13移動(dòng)的所述 動(dòng)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(jī)倒立擺的直線電機(jī)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(dòng)的所述平臺1與直線電機(jī) 的動(dòng)子25固定連接，直線電機(jī)定子26為長條形狀，與導(dǎo)軌23同方向設(shè)置， 帶動(dòng)平臺1沿導(dǎo)軌23移動(dòng)的所述動(dòng)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(gè)U型塊6， U型塊6上裝有一個(gè)轉(zhuǎn)軸3，轉(zhuǎn)軸3的一端連有一個(gè)增量式角 度編碼器5，另一端活動(dòng)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(gè)U型塊6， U型塊6上裝有一個(gè)轉(zhuǎn)軸3，轉(zhuǎn)軸3的一端連 有一個(gè)二級增量式角度編碼器7，另一端活動(dòng)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(gè)U型塊6， U型塊6上裝有一個(gè)轉(zhuǎn)軸3，轉(zhuǎn)軸 3的一端連有一個(gè)二級增量式角度編碼器7，另一端活動(dòng)連接有二級擺桿42， 在二級擺桿42的自由端連接一個(gè)U型塊6， U型塊6上裝有一個(gè)轉(zhuǎn)軸3， 轉(zhuǎn)軸3的一端連有一個(gè)三級增量式角度編碼器7，另一端活動(dòng)連接有三級擺 桿43。
如圖4所示，直線電機(jī)放置于實(shí)驗(yàn)臺上，倒立擺底座2通過螺栓固定 在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的平臺1上，底座2上安裝一個(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)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(jī)光柵信號和角度編碼器信號的裝置。采集電機(jī)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(jì)算模塊，計(jì)算結(jié) 果通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化為控制信號由計(jì)算機(jī)將控制信號送給控制卡及電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器按照控制卡內(nèi)的控制信號驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(shí)用新型的直線電機(jī)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(shí)，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(jī)上的光柵測量并傳遞給驅(qū)動(dòng)器，然后再傳遞給控制卡，控 制卡進(jìn)行處理后再傳遞給計(jì)算機(jī)計(jì)算，計(jì)算機(jī)將經(jīng)計(jì)算的數(shù)據(jù)再傳遞給控 制卡和驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)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(jī)、PLC等)。
如圖9所示，表示本實(shí)用新型的直線電機(jī)倒立擺的一級倒立擺工作流 程圖。計(jì)算機(jī)與控制器連接，控制器與驅(qū)動(dòng)器連接，驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)連接， 電機(jī)控制擺角擺動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)。經(jīng)過反復(fù)測量、反復(fù)計(jì)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(jī)倒立擺，包括擺桿、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)的平臺(1)上，所述平臺(1)滑動(dòng)地設(shè)置在導(dǎo)軌(13)上，轉(zhuǎn)軸(3)一側(cè)裝有一個(gè)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(jī)倒立擺，其特征在于在導(dǎo)軌(13)上 滑動(dòng)的所述平臺(1)與直線電機(jī)的動(dòng)子(15)固定連接，直線電機(jī)定子(16) 為長條凹槽狀，與導(dǎo)軌(13)同方向設(shè)置，可帶動(dòng)平臺(1)沿導(dǎo)軌(13)移動(dòng) 的所述動(dòng)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(jī)倒立擺，其特征在于在導(dǎo)軌(23)上滑 動(dòng)的所述平臺(1)與直線電機(jī)的動(dòng)子(25)固定連接，直線電機(jī)定子(26)為 長條形狀，與導(dǎo)軌(23)同方向設(shè)置、可帶動(dòng)平臺(1)沿導(dǎo)軌(23)移動(dòng)的所 述動(dòng)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(jī)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(gè)U型塊(6)， U型塊上裝有 一個(gè)轉(zhuǎn)軸(3)，轉(zhuǎn)軸(3)的一端連有一個(gè)增量式角度編碼器(5)，另一端活動(dòng)連 接有次級擺桿。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機(jī)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(jī)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(jī)倒立擺，其特征在于采集電機(jī)光柵信號和角度編碼器信號的裝置與計(jì)算機(jī)控制卡連接，該卡內(nèi)設(shè)有信號處理模塊和計(jì) 算模塊。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種倒立擺系統(tǒng)，特別涉及一種直線電機(jī)倒立擺，屬于自動(dòng)控制技術(shù)科研與教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jī)倒立擺，包括擺桿、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)需要控制的特點(diǎn)，同時(shí)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(diǎn)，是用于驗(yàn)證控制理論的實(shí)驗(yàn)平臺，直線電機(jī)是一種新型動(dòng)力機(jī)構(gòu)，具有高速度、高精度、高加速度的直線電機(jī)來驅(qū)動(dòng)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