王 桔

(長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022)

簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置

王 桔

(長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022)

設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)式倒立擺，系統(tǒng)的工作原理是角度、位移信號經(jīng)過檢測電路獲取后，由微分電路獲取相應(yīng)的微分信號，并轉(zhuǎn)化為電壓信號提供給驅(qū)動電路，以驅(qū)動直流力矩電機的運動，通過電機帶動旋臂的轉(zhuǎn)動來控制擺桿的運動。本設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎，它省去了現(xiàn)有直線式倒立擺中復(fù)雜的傳動機構(gòu)，使得整體結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、占地面積小，而且使得與控制方法無關(guān)的因素(例如傳動機構(gòu)的故障、誤差、非線性等)大大減少，從而增加了控制的精確度、控制效果穩(wěn)定，使可靠性提高。

旋轉(zhuǎn)式倒立擺;狀態(tài)反饋;穩(wěn)定性

0 引言

日常生活中，我們經(jīng)常能見到一些支點在上而重心在下的擺，如掛鐘的擺，這種稱為順擺。還有一種支點在下而重心在上，這種系統(tǒng)或裝置，就是倒立擺。

倒立擺系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，由于其自身是一個絕對不穩(wěn)定、多變量、強耦合的高階非線性系統(tǒng)而被廣泛研究，其控制方法多種多樣，在半導(dǎo)體及精密儀器加工、機器人控制技術(shù)、人工智能、導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)、航空對接控制技術(shù)、火箭發(fā)射等工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的利用開發(fā)前景。

1 旋轉(zhuǎn)倒立擺的工作原理

倒立擺系統(tǒng)由直流力矩電機提供動力，控制水平擺桿的運動，水平擺桿與豎直擺桿通過軸承連接，水平擺桿的運動帶動豎直擺桿的運動，在水平擺桿與豎直擺桿連接處有一個傳感器MPU6050，用來檢測豎直擺桿的當前狀態(tài)，反饋給單片機，單片機根據(jù)反饋回來的信號通過姿態(tài)計算，改變PWM信號，PWM信號送給LM298電機驅(qū)動，改變直流力矩電機轉(zhuǎn)速與方向，使豎直擺桿實現(xiàn)各種姿態(tài)。

倒立擺系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。

圖1 工作原理圖

2 系統(tǒng)的工作原理

2.1 電動機的工作原理

當負載增加時，電動機的轉(zhuǎn)速能自動的隨之降低，而輸出力矩增加，保持與負載平衡。力矩電機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高，堵轉(zhuǎn)電流小，能承受一定時間的堵轉(zhuǎn)運行。

這次設(shè)計我們將直流力矩電機作為最終的選擇。直流電機具有控制簡單，扭矩大，體積小，驅(qū)動電路簡單，穩(wěn)定性能強，負載能力強等優(yōu)點，當負載轉(zhuǎn)矩增大時它會自動的將轉(zhuǎn)速降低，與此同時輸出轉(zhuǎn)速會增大。當負載轉(zhuǎn)矩為一定值時對電機端電壓進行改變便可進行調(diào)速.但是轉(zhuǎn)速的調(diào)整率不理想，所以要在電機軸上加測速裝置，配上控制器。通過測速裝置輸出的電壓和控制器給定的電壓二者相比，進行自動改變電機的端電壓.進而可使得電機的穩(wěn)定性得以改善。

2.2 擺桿的狀態(tài)檢測

將旋轉(zhuǎn)式倒立擺的旋臂和擺桿從自然下垂狀態(tài)擺起，并能夠平穩(wěn)切換到倒立控制，擺桿的狀態(tài)檢測是先得到擺桿自由下垂的數(shù)據(jù)傳送到控制芯片中，再通過單片機控制電機驅(qū)動，擺桿擺動，通過MPU-6050檢測到數(shù)據(jù)，將檢測到的數(shù)據(jù)與最初自由下垂狀態(tài)下的數(shù)值做差，進行循環(huán)檢測。但檢測到擺桿的轉(zhuǎn)動角度范圍在-165°到 +165°，再將擺桿垂直進行控制。

3 驅(qū)動與控制算法

本設(shè)計所選用的驅(qū)動是LM298，它是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A一下的電機。

3.1 電源與驅(qū)動電路

直流力矩電機電壓的驅(qū)動和控制中，半導(dǎo)體功率器件(LM298)在使用上有兩種方式:即開關(guān)驅(qū)動方式和線性放大驅(qū)動方式，線性放大驅(qū)動方式中半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)里。在開關(guān)驅(qū)動方式中半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，電動機的電壓用PWM來控制，進而實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)速進行控制。

電動機的繞組兩端的電壓平均值U為:

在上式中D為占空比，t=DT，占空比與周期的乘積為開關(guān)管導(dǎo)通的時間，D的變化范圍是0到1。當電源電壓U不變的情況下，占空比D的大小輸出取決于電壓的平均值U，改變D值也就改變了輸出電壓的平均值，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的，即實現(xiàn)PWM調(diào)速。圖2所示為電機驅(qū)動模塊連接圖。

圖2 電機驅(qū)動模塊連接圖

在電源與電機驅(qū)動上，采用常規(guī)的電源設(shè)計，并選用性能較高的專用電機驅(qū)動芯片。電源與驅(qū)動部分為整個倒立擺系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V直流工作電壓和20V直流電機驅(qū)動電壓，并將DSP單元送出的PWM(脈沖調(diào)寬)和DIR(方向)信號進行合成放大，驅(qū)動電機工作。

3.2 模型分析

倒立擺系統(tǒng)中，擺桿和旋臂是被控對象，對它們進行動力分析。如圖3所示，在慣性系S1中，對旋臂，有

其中，J1為旋臂對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量(包括電機轉(zhuǎn)軸自身的轉(zhuǎn)動慣性)，f1為相應(yīng)的摩擦系數(shù)，m1是旋臂的質(zhì)量，sinθ1是旋臂的質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸的距離。1為旋臂與垂直線的夾角。G為重力加速度。M0為電機輸出轉(zhuǎn)矩:

這里Km、Ke分別是電機的力矩系數(shù)和反電動勢系數(shù)，加在電機上的控制電壓為u。擺桿對旋臂的作用力矩為M21。

圖3 系統(tǒng)模塊分析

3.3 軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件流程圖為圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 測試結(jié)果分析

通過測試結(jié)果的分析我們了解到倒立擺系統(tǒng)可以實現(xiàn)基本的功能但在其穩(wěn)定性和抗干擾能力方面還需要進一步的改善和提高。

5 結(jié)語

采用具有獨立數(shù)據(jù)處理功能的控制芯片作為核心器件，并采用MPU-6050對數(shù)據(jù)進行理設(shè)計而成的簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置，提供比較強大的功能和靈活的結(jié)構(gòu)。在軟件方面我們采用PC與單片機結(jié)合的方式，提供多種運行模式，在控制算法方面，用狀態(tài)反饋方法和能量分析方法實驗了比較完整的擺動—倒立控制，但對其穩(wěn)定性和抗干擾能力上還需要進一步的調(diào)整和研究。

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A Simple Rotary Inverted Pendulum and Its Control Device

WANG Ju
(College Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

This paper designs is a kind of rotary inverted pendulum，the working principle of the system is to obtain corresponding differential signals by differential circuit after the detection of angle and displacement signal，and then translate them into voltage signals to provide the driving circuit and to drive the movement of DC torque motor and to control the movement of swinging rod by the rotation of the motor operating spiral arms.This design with new structure saves the existing complex transmission mechanism in linear inverted pendulum，making the overall structure simple and compact and occupy small space，and making factors that has nothing to do with the control method(such as fault，error and nonlinear，etc.)greatly reduce，so as to increase the control precision，stable the control effect and improve the reliability.

rotary inverted pendulum;state feedback;stability

TP275

A

1009-3907(2013)12-1538-03

2013-09-16

王桔(1980-)，女，吉林長春人，講師，碩士，主要從事電子與通信工程方面的研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云