【《倒立摆系统硬件设计案例分析》2600字】

倒立摆系统硬件设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u29434倒立摆系统硬件设计案例分析 1256321.1倒立摆系统组成 1314711.2倒立摆运动控制板硬件设计 292631.3硬件选型 51.1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：一阶倒立摆组件、转电机、DSPDSP限位开关一阶倒立摆组件是带角度编码器的图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、倒立摆组件、编码器。小车被安装在水平导轨上，通过直流电机带动小车在传输带上进行运动，由于小车是属于一自由度的物体，只能做直线往复运动[22]，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了一个闭环系统。图3-2中DSP[7]摆杆的平衡。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是一个16位的微处理器，型号中的DSP代表是的一个数字信号处理器模块，而MC804代表的是电机系列为804的电机。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，因此选用该主控芯片dsPIC33FJ64MC804，该芯片如图所示[23]:图3-3主控芯片dsPIC33FJ64MC804由图3-3的芯片结构图可知，dsPIC33FJ64MC804一共有44个引脚，其中电机控制PWM模块是由8到11、14、15等6个引脚所控制的，CAN通信接口有3、4引脚组成，串口通信接口由36、37引脚组成，利用该芯片将从光电编码器接受的信号通过微分电路转换而成的速度信号传输到PC机上，从而实现实时采集速度信号的作用；输入捕捉信号是通过1、43、44引脚实现的；模拟信号的输入引脚为22引脚，故障信号输入引脚为5引脚，其用与系统发生故障时对故障作出对应的反应[35]。此外，在该芯片中还有5个16位的定时器和16个可以进行重映射的引脚。2.编码器接口电路的设计在本文中摆杆的摆角通过是通过选用内密控公司生产的OVW2-06-2MD型光电编码器进行测量的，该编码器是600线每转的编码器，根据编码器分辨率的定义可知该编码器的轴每转动一圈，编码器就会输出600个脉冲。A、B和Z相三相脉冲可以通过该编码器直接进行输出，但出于集电极开路输出的考虑，因此必须接上拉电阻，该编码器的接口电路如图所示：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，从而对此做出相应的控制决策。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[23]:图3-5D/A输出电路4.微分电路的设计通过光电编码器可以收集到该倒立摆系统中小车的摆角和位移信号，但小车的速度和位移速度不能通过光电编码器直接获取，必须通过微分电路进行转换[34]，如果该微分电路的输入信号为小车的位移，则得到的输出信号为小车的速度，如果该微分电路的输入信号为小车的位移信号，则得到的输出信号为小车的位移速度。该微分电路如图3-6所示：图3-6微分电路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[24]：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，其特点是体积较小、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)编码器的选型本文使用的直线倒立摆系统一共用到了角度编码器和速度编码器这两种编码器，其中角度编码器用于测量摆杆摆角信号，而速度编码器是用于反馈电机转速信号。光电编码器的工作原理是通过光与电之间的相互转换可以将小车的位移信号转换成模拟量或数字量作为最后的信号输出出去，。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，就会产生一个位移增量[25],而增量式光电编码器的精度与编码器的线数密切相关，线数越多，增量式光电编码器的精度就越高。本文使用的编码器的型号是OVW2-06-2MD，该型号的编码器是由内密控公司生产的一款光电编码器，低成本、通用、性能好是OVW2型光电编码器的主要特点。OVW2-06-2MD型光电编码器实物图如图所示[23]：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