【《倒立摆系统硬件设计案例》2200字】

倒立摆系统硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u23889倒立摆系统硬件设计案例 185461.1倒立摆系统组成 195201.2倒立摆运动控制板硬件设计 2314161.3硬件选型 41.1倒立摆系统组成旋转电机倒立摆系统组成如图3-1所示，该系统的主要组成部分包括：带角度编码器的一阶倒立摆组件、转电机、DSPDSP限位开关图3-1旋转电机倒立摆系统结构图（2）直流电机倒立摆系统组成如图3-2所示,主要组成部分包括小车、直流电机、水平导轨、限位开关、传输带、、摆体组件、连接轴及编码器。在水平导轨上安装小车，通过电机带动小车在传送带进行运动，由于小车只有一个自由度，只能做直线往复运动，不能像摆杆一样进行旋转，通过编码器反馈输入信号，当小车运动到限位开关时，电机停止工作，小车停止运动。图3-2直线倒立摆系统结构图MATLABDOSMATLAB1.2倒立摆运动控制板硬件设计该倒立摆系统框图如图所示[2]：图3-2倒立摆系统硬件框图从图3-2可以看出，该倒立摆硬件系统包括计算机、运动控制卡、伺服电机、伺服驱动器、光电编码器和倒立摆系统等，该倒立摆系统这几大组成部分形成一个闭环系统。图3-2中DSP摆杆平衡。针对该倒立摆硬件系统的几大组成部分，分别对它们进行如下的设计：1.主控芯片dsPIC33FJ64MC804的设计主控芯片dsPIC33FJ64MC804既具有24位宽程序总线，又具有16位宽数据总线，采用的是改进式的哈佛总线架构。该芯片具有44个引脚，闪存程序存储器64KB，数据RAM8KB，16位定时器共5个，输入捕捉4路，电机控制PWM6路，9通道的10位ADC模块一个，2个正交编码器接口模块2个，UART通用异步收发器模块2个，SPI串行外设接口模块2个，I2C串行通信模块一个同时还有一个16个可重映射的引脚。由于该倒立摆系统有两个光电编码器输入，而这个芯片有2个正交编码器接口模块，刚好能处理这两个增量式光电编码器的输入，因此采用主控芯片dsPIC33FJ64MC804，该芯片如图所示[13]:图3-3主控芯片dsPIC33FJ64MC8042.编码器接口电路的设计在本文中摆杆的摆角是通过选用欧姆龙公司生产的E6B2-CWZ6C旋转光电编码器进行测量的该编码器是1000线每转的编码器，也就是说该编码器的轴转动一圈，编码器输出1000个脉冲。A、B和Z相三相脉冲可以通过该编码器直接输出，但出于集电极开路输出的考虑，因此必须接上拉电阻，该编码器接口电路如图所示：图3-4编码器接口电路1.D/A输出电路的设计倒立摆运动控制板接受速度和角度编码器这两个编码器的输入，得到小车位移的信号还有摆角的信号，从而对此对此作出相应的控制决策。由于芯片内部计算得出的结果是数字信号，其代表力的大小，必须经过D/A转换将该数字信号转换成电压信号之后，才能够与伺服驱动器进行通信，该D/A输出电路如图所示[13]:图3-5D/A输出电路1.3硬件选型（1）运动控制卡选型运动控制卡选用固高公司的GT-400-SV控制卡，该运动控制卡有可同时控制四个运动轴并处理多个运动轴的DSP器和现场可编程端口阵列FPGA。在小车的一阶倒立摆系统中，运动控制卡有以下两种功能：一种是输出从计算机里发送的小车摆角的信号还有小车的信号，另外一种功能是收集倒立摆的摆幅数运动通道负责来数据收集，另外一个通道是起到让倒立摆平稳下来的作用。GT400运动控制卡如图所示[14]：图3-6GT400运动控制卡（2）电机和电机驱动机的选型电机选用直流电机，不使用旋转电机。体积小，转动力矩大，比较轻且使用方便是直流电机具有的主要优点。传统的倒立摆采用旋转电机驱动倒立摆，会受到摩擦和延时等因素的影响，无法得到精确的数学模型，而直线型倒立摆没有传动结构，不会会受到摩擦和延时等因素的影响，更加容易建立起较为精确的数学模型。电机详细参数如下表:表3-1电机详细参数型号额定电压V额定转矩N.M额定转速rpm额定功率W额定电流A极对数质量Kg57BL95S15-230DK9240.530001508.721.05资料来源：尹贻晓.直线一级倒立摆系统研究[D].山东农业大学,2015.`电机实物图如图所示：图3-757BL95S15-230DK9电机根据表3-1中的所给出的额定功率和额定电流的数值，额定功率/额定电流=150W/24V=6.25A,则峰值电流为该电流的1.5倍-2倍之间，即该峰值电流为9.375A-12.5A，选择的驱动电压为1.6V,电流应大于该峰值电流。故电机驱动器可选用ZM-6515A型号的电机驱动器，其特点是体积小、可靠性高、寿命长和使用简单,该电机驱动器的实物图如图3-8所示：图3-8电机驱动器(3)编码器的选型该倒立摆系统一共用到角度编码器和速度编码器这两种编码器，角度编码器由于测量摆杆摆角信号，速度编码器由于反馈电机转速信号。光电编码器通过光电转换可以将位移量转换成模拟量或数字量作为输出信号，它是目前使用最多的编码器。本文使用的是增量式光电编码器，其工作原理是每产生一个输出脉冲信号，与之相对应的是一个位移增量,编码器的线数决定增量式光电编码器的精度，线数越多，增量式光电编码器的精度就越高。本文使用的编码器是内密控公司生产的OVW2-06-2MD型光电编码器，低成本、通用型、高性能是OVW2型光电编码器的特点，实物图如图所示[13]：图3-9OVW2-06-2MD型光电编码器该光电编码器参数如下表：表3-2OVW2-06-2MD型光电编码器参数外形尺寸轴径脉冲数电压输出信号高响