欠驱动悬摆运动控制实验装置

摘要

欠驱动悬摆运动控制实验装置，它是一种适合控制理论与控制工程以及电子与传动学科学术研究的欠驱动控制实验装置，以解决目前高校或科研机构进行非线性控制理论学术研究的实验装置还停留在数值仿真层面、缺少相应的实物系统、理论与实际脱节的问题。两轴运动控制卡的上位输入输出端和驱动输入输出端分别与上位计算机的输入输出端和直流电机驱动器的输入输出端连接，直流电机驱动器的控制输出端与直流伺服电机的控制输入端连接，直流伺服电机和角度检测器的信号输出端分别与两轴运动控制卡的信号输入端连接，直流伺服电机的输出轴通过联轴节与欠驱动悬摆机构的输入轴连接，欠驱动悬摆机构的输入轴的输入驱动力矩通过同步传动机构传递给双摆输出轴。

权利要求

1.欠驱动悬摆运动控制实验装置，它由上位计算机(1)、两轴运动控制卡(2)、直流电机驱动器(3)、直流伺服电机(4)、同步传动机构(5)、欠驱动悬摆机构(6)、角度检测器(7)和联轴节(8)组成，上位计算机(1)的输入输出端与两轴运动控制卡(2)的上位输入输出端连接，两轴运动控制卡(2)的驱动输入输出端与直流电机驱动器(3)的输入输出端连接，直流电机驱动器(3)的控制输出端与直流伺服电机(4)的控制输入端连接，直流伺服电机(4)的信号输出端与两轴运动控制卡(2)的电机信号输入端连接，直流伺服电机(4)的输出轴通过联轴节(8)与欠驱动悬摆机构(6)的输入轴(6-1)连接，欠驱动悬摆机构(6)的输入轴(6-1)的输入驱动力矩通过同步传动机构(5)传递给欠驱动悬摆机构(6)的双摆输出轴(6-2)，角度检测器(7)设置在双摆输出轴(6-2)上，角度检测器(7)的信号输出端与两轴运动控制卡(2)的检测信号输入端连接，其特征在于所述两轴运动控制卡(2)由LPC2119控制芯片(2-1)、EPM7128正交脉冲鉴相计数板(2-2)、A/D转换器(2-3)、D/A转换器(2-4)、数字量输入电路(2-5)、数字量输出电路(2-6)、RS-232通讯接口(2-7)、RS-485通讯接口(2-8)和CAN总线通讯接口(2-9)组成，EPM7128正交脉冲鉴相计数板(2-2)与LPC2119控制芯片(2-1)的脉冲鉴相信号输出端口连接，A/D转换器(2-3)与LPC2119控制芯片(2-1)的模数SPI端口连接，D/A转换器(2-4)与LPC2119控制芯片(2-1)的数模SPI端口连接，数字量输入电路(2-5)与LPC2119控制芯片(2-1)的数字量输入端口连接，数字量输出电路(2-6)与LPC2119控制芯片(2-1)的数字量输出端口连接，RS-232通讯接口(2-7)与LPC2119控制芯片(2-1)的RS-232端口连接、RS-485通讯接口(2-8)与LPC2119控制芯片(2-1)的RS-485端口连接，CAN总线通讯接口(2-9)与LPC2119控制芯片(2-1)的CAN端口连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适合控制理论与控制工程学科以及电力电子与电力传动学科学术研究要求的欠驱动控制实验装置，属于欠驱动机械系统控制技术领域。

背景技术

在过去的50年间，空间飞行器及机器人系统的应用不断地推动着机械系统和非线性系统分析和控制。一直以来，机械系统和非线性控制理论的发展都是相辅相成，相互促进的。机械系统的多体控制问题和非线性系统仿射控制问题的分析(如能控性、能观性等)和控制设计(如稳定性、输出跟踪等)都是这种促进在理论上的产物，其中仿射控制问题也成为了非线性控制理论的新篇章。欠驱动机械系统是指控制输入量少于系统自由度的机械系统。对欠驱动机械系统的控制问题已经受到了重视并成为非线性控制领域的热点之一。欠驱动系统广泛存在，包括机器人、空间飞行器系统、航海系统、柔性系统、移动系统和机车系统。因此，欠驱动机械系统的控制问题依然是当今控制界的一个热点问题。
欠驱动悬摆系统是欠驱动机械系统中一个重要组成部分，是指一个垂直平面两杆机械装置，其结构由一根连杆和一根摆杆组成，摆杆连接有一驱动输入，连杆绕肩部自由转动，它具有两个自由度却只有一个控制输入，是一个典型的欠驱动机械系统，并已成为非线性控制理论研究的经典模型。但是，目前针对该类问题的研究还仅停留在数字仿真层面，缺少相应的实物系统，对于相关理论的实际应用过程的认识不够直观，使理论与实际脱节。

发明内容

本发明为解决目前高等院校或相关科研机构进行非线性控制理论学术研究还停留在数值仿真层面、缺少相应的实物系统、对于相关理论在实际应用过程中的认识不够直观以及理论与实际脱节等问题，提供一种欠驱动悬摆运动控制实验装置。本发明由上位计算机、两轴运动控制卡、直流电机驱动器、直流伺服电机、同步传动机构、欠驱动悬摆机构和角度检测器组成，上位计算机的输入输出端与两轴运动控制卡的上位输入输出端连接，两轴运动控制卡的驱动输入输出端与直流电机驱动器的输入输出端连接，直流电机驱动器的控制输出端与直流伺服电机的控制输入端连接，直流伺服电机的信号输出端与两轴运动控制卡的电机信号输入端连接，直流伺服电机的输出轴通过联轴节与欠驱动悬摆机构的输入轴连接，欠驱动悬摆机构的输入轴的输入驱动力矩通过同步传动机构传递给欠驱动悬摆机构的双摆输出轴，角度检测器设置在双摆输出轴上，角度检测器的信号输出端与两轴运动控制卡的检测信号输入端连接，所述两轴运动控制卡由LPC2119控制芯片、EPM7128正交脉冲鉴相计数板、A/D转换器、D/A转换器、数字量输入电路、数字量输出电路、RS-232通讯接口、RS-485通讯接口和CAN总线通讯接口组成，EPM7128正交脉冲鉴相计数板与LPC2119控制芯片的脉冲鉴相信号输出端口连接，A/D转换器与LPC2119控制芯片的模数SPI端口连接，D/A转换器与LPC2119控制芯片的数模SPI端口连接，数字量输入电路与LPC2119控制芯片的数字量输入端口连接，数字量输出电路与LPC2119控制芯片的数字量输出端口连接，RS-232通讯接口与LPC2119控制芯片的RS-232端口连接、RS-485通讯接口与LPC2119控制芯片的RS-485端口连接，CAN总线通讯接口与LPC2119控制芯片的CAN端口连接。
有益效果：本发明具有性能稳定、精度高、抗干扰能力强、结构紧凑、成本低的优点，它适用于欠驱动非线性机械系统运动控制、机械电子装置非线性控制、非线性控制理论应用等学术研究，同时也适用于高等学校机电一体化、电力电子与电力传动、控制理论与控制工程等专业的专业实习、课程设计等实验研究，可作为电机类、控制类本科生及研究生的开放性试验平台，为其认识和掌握现代直流伺服系统的组成、机构设计、传感器应用以及控制理论的应用奠定必要的基础。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是两轴运动控制卡2的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1，本实施方式由上位计算机1、两轴运动控制卡2、直流电机驱动器3、直流伺服电机4、同步传动机构5、欠驱动悬摆机构6和角度检测器7组成，上位计算机1的输入输出端与两轴运动控制卡2的上位输入输出端连接，两轴运动控制卡2的驱动输入输出端与直流电机驱动器3的输入输出端连接，直流电机驱动器3的控制输出端与直流伺服电机4的控制输入端连接，直流伺服电机4的信号输出端与两轴运动控制卡2的电机信号输入端连接，直流伺服电机4的输出轴通过联轴节8与欠驱动悬摆机构6的输入轴连接，欠驱动悬摆机构6的输入轴6-1的输入驱动力矩通过同步传动机构5传递给欠驱动悬摆机构6的双摆输出轴6-2，角度检测器7设置在双摆输出轴6-2上，角度检测器7的信号输出端与两轴运动控制卡2的检测信号输入端连接。
两轴运动控制卡2可采用基于LPC2119的双轴运动控制卡，并且采用Philip公司生产的ARM7芯片作为该双轴运动控制卡的核心控制器；直流电机驱动器3可采用PWM方式驱动直流电机，由UC3637芯片和L6203芯片分别承担PWM波和直流电机的驱动；直流伺服电机4可采用SANYO511T型伺服电机，同步传动机构5可采用伏龙120-XL-037、36-XL-BF、12-XL-BF型传统机构，传动比为3∶1。
首先由上位计算机1内置的软件根据所要求的悬摆控制目标计算出控制信号，通过串口通讯程序送入两轴运动控制卡2中，通过运动控制卡内置的电机三环控制程序计算出具体的驱动信号，通过DA端口送入直流电机驱动器3中，经过变换后驱动直流伺服电机4，通过直流伺服电机4的旋转带动同步传动机构5将力矩输入至欠驱动悬摆机构6，形成悬摆运动。在悬摆运动过程中，不断通过角度检测器7和电机自带角度检测器检测出角度信号并送入两轴运动控制卡2中，经过计算后通过串行接口送回至上位计算机1，再由上位计算机1计算出新的控制信号，这样循环往复直至达到所设定的悬摆运动控制目标。
具体实施方式二：参见图2，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述两轴运动控制卡2由LPC2119控制芯片2-1、EPM7128正交脉冲鉴相计数板2-2、A/D转换器2-3、D/A转换器2-4、数字量输入电路2-5、数字量输出电路2-6、RS-232通讯接口2-7、RS-485通讯接口2-8和CAN总线通讯接口2-9组成，EPM7128正交脉冲鉴相计数板2-2与LPC2119控制芯片2-1的脉冲鉴相信号输出端口连接，A/D转换器2-3与LPC2119控制芯片2-1的模数SPI端口连接，D/A转换器2-4与LPC2119控制芯片2-1的数模SPI端口连接，数字量输入电路2-5与LPC2119控制芯片2-1的数字量输入端口连接，数字量输出电路2-6与LPC2119控制芯片2-1的数字量输出端口连接，RS-232通讯接口2-7与LPC2119控制芯片2-1的RS-232端口连接、RS-485通讯接口2-8与LPC2119控制芯片2-1的RS-485端口连接，CAN总线通讯接口2-9与LPC2119控制芯片2-1的CAN端口连接。