基于模型设计的旋转倒立摆的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于模型设计的旋转倒立摆，包括底座、支架、直流电机、旋转臂、角位移传感器和摆杆，所述支架设置在所述底座上，所述直流电机竖直安装在所述支架内部，所述旋转臂的中部与所述直流电机的输出轴固定连接，所述角位移传感器设置在所述旋转臂的一端，所述摆杆安装在所述角位移传感器的转轴上。本实用新型基于模型设计的旋转倒立摆能避免手编代码，极大地减小工作量，同时该电机驱动器由数字信号处理器直接驱动，可靠性高，电机的调速和位移量变化范围大，容易实现，反应速度快。
【专利说明】基于模型设计的旋转倒立摆
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种倒立摆，尤其涉及一种基于模型设计的旋转倒立摆。
【背景技术】
[0002] 基于模型设计是近10年才发展起来的21世纪前沿技术，采用该技术进行设计，所 花的开发时间和成本只有传统方法的1/5-1/2,该技术对一个国家的整体科技创新能力影 响较大，近年来几乎所有的重大创新项目都有基于模型设计的影子，比如洛克希德一马丁 公司投资超过2000亿美元的F-35项目，基本上是采用基于模型设计实现的。
[0003] 倒立摆系统是一个非线性自然不稳定系统，是进行控制理论教学及开展各种控制 实验的理想实验平台，许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、可控性、鲁棒性、系统收 敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观地地表现出来，除教学用途外，由 于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性使得许多现代控制理论的 研究人员一直将它视为研究对象用来解决航天技术中遇到的问题，倒立摆根据其基座运动 形式不同可以分为直线倒立摆、旋转倒立摆和平面倒立摆；旋转倒立摆由于其非线性问题 较为强烈，应用领域较为广泛。 实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于模型设计的旋转倒 立摆。
[0005] 本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
[0006] -种基于模型设计的旋转倒立摆，包括底座、支架、直流电机、旋转臂、角位移传感 器和摆杆，所述支架设置在所述底座上，所述直流电机坚直安装在所述支架内部，所述旋转 臂的中部与所述直流电机的输出轴固定连接，所述角位移传感器设置在所述旋转臂的一 端，所述摆杆安装在所述角位移传感器的转轴上。
[0007] 进一步，所述倒立摆包括电源、第一降压开关型集成稳压芯片、第二降压开关型集 成稳压芯片、角位移传感器、数模转换器、数字信号处理器和电机驱动器，所述电源的电压 输出端分别与所述第一降压开关型集成稳压芯片的电压输入端、第二降压开关型集成稳压 芯片的电压输入端和所述电机驱动器的电压输入端连接，所述第一降压开关型集成稳压芯 片的电压输出端与所述角位移传感器的电压输入端连接，所述角位移传感器的信号输出端 与所述数模转换器的信号输入端连接，所述数模转换器的信号输出端与所述数字信号处理 器的信号输入端连接，所述第二降压开关型集成稳压芯片的电压输出端与所述数字信号处 理器的电压输入端连接，所述数字信号处理器的信号输出端与所述电机驱动器的信号输出 端连接，所述电机驱动器的信号输出端与所述直流电机的信号输入端连接。
[0008] 本实用新型的有益效果在于：
[0009] 本实用新型基于模型设计的旋转倒立摆能避免手编代码，极大地减小工作量，同 时该电机驱动器由数字信号处理器直接驱动，可靠性高，电机的调速和位移量变化范围大， 容易实现，反应速度快。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是本实用新型基于模型设计的旋转倒立摆的结构示意图；
[0011] 图2是本实用新型基于模型设计的旋转倒立摆的结构框图。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
[0013] 如图1所示，本实用新型基于模型设计的旋转倒立摆，包括底座1、支架2、直流电 机3、旋转臂4、角位移传感器5和摆杆6,支架2设置在底座1上，直流电机3坚直安装在支 架2内部，旋转臂4的中部与直流电机3的输出轴固定连接，角位移传感器5设置在旋转臂 4的一端，摆杆6安装在角位移传感器5的转轴上。
[0014] 如图2所示，倒立摆包括电源、第一降压开关型集成稳压芯片、第二降压开关型集 成稳压芯片、角位移传感器、数模转换器、数字信号处理器和电机驱动器，电源的电压输出 端分别与第一降压开关型集成稳压芯片的电压输入端、第二降压开关型集成稳压芯片的电 压输入端和电机驱动器的电压输入端连接，第一降压开关型集成稳压芯片的电压输出端与 角位移传感器的电压输入端连接，角位移传感器的信号输出端与数模转换器的信号输入端 连接，数模转换器的信号输出端与数字信号处理器的信号输入端连接，第二降压开关型集 成稳压芯片的电压输出端与数字信号处理器的电压输入端连接，数字信号处理器的信号输 出端与电机驱动器的信号输出端连接，电机驱动器的信号输出端与直流电机的信号输入端 连接。
[0015] 本实用新型基于模型设计的旋转倒立摆的工作原理如下：
[0016] 数字信号处理器的信号为TMS320F28335,运算能力强，增强型模块使用方便，自由 度大，通用10 口数量多，数模转换器为数字信号处理器自带的16通道12位高精度ADC模 块，角位移传感器5的型号为WDY3OT4,阻值为10K Ω，电机驱动器的型号为L298N，L298N芯 片电路简单，可靠性高，单片机可以直接驱动，电机的调速和位移量变化范围大，容易实现， 反应速度快，第一降压开关型集成稳压芯片和第二降压开关型集成稳压芯片的型号均为 LM2596S-ADJ，本芯片最大输出电流为3A，最高输出电压为37V，转换效率高达75 %?88 %， 发热很小，电源的输出电压为12V，第一降压开关型集成稳压芯片的输出电压为3V，第二降 压开关型集成稳压芯片的输出电压为5V。
[0017] 通过角位移传感器5实现角度-电阻-电压的转换，传感器输出模拟电压经一阶 滤波，滤除噪声，传到TMS320F28335内部ADC采样，然后采用数字滤波算法再次进行滤波， 最后通过数字PID调节环节对电机进行精确控制（其中，涉及的DSP内部算法以及程序均 运用Matlab通过基于模型的设计实现），按照搭建模型-仿真通过-代码自动生成的过程 较为精确的实现了摆杆6的倒立以及倒立旋转等功能。
[0018] 本系统通过CCS1 ink工具箱将已经验证的Simul ink模型转换为C语言代码并 自动完成编译、烧录，本设计所用到的PID算法经过Simulink测试以后修改为代码模型直 接生成代码，省去了数学模型转换为代码模型的过程，完全实现了零手写代码，大大提高了 效率；采用基于模型的设计，自动生成代码，避免了编程时的出错概率，减少了工作量；采 用模块化功能控制直流电机3,易于实现，而且可以按照控制者意愿方便实施控制与修改； 采用高精度角位移传感器5,相比于以往倒立摆能够更快、更精准采集信息，使系统更加稳 定；采用数字滤波对传感器传过来的信号再次滤波后，结合先进的数字PID调节算法，很好 的实现了系统的实时精确控制。本系统所采用部分器件相比于其它旋转倒立摆节省了一定 成本。
[0019] 本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技 术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于模型设计的旋转倒立摆，其特征在于：包括底座、支架、直流电机、旋转臂、 角位移传感器和摆杆，所述支架设置在所述底座上，所述直流电机坚直安装在所述支架内 部，所述旋转臂的中部与所述直流电机的输出轴固定连接，所述角位移传感器设置在所述 旋转臂的一端，所述摆杆安装在所述角位移传感器的转轴上。
2. 根据权利要求1所述的基于模型设计的旋转倒立摆，其特征在于：包括电源、第一降 压开关型集成稳压芯片、第二降压开关型集成稳压芯片、角位移传感器、数模转换器、数字 信号处理器、电机驱动器，所述电源的电压输出端分别与所述第一降压开关型集成稳压芯 片的电压输入端、第二降压开关型集成稳压芯片的电压输入端和所述电机驱动器的电压输 入端连接，所述第一降压开关型集成稳压芯片的电压输出端与所述角位移传感器的电压输 入端连接，所述角位移传感器的信号输出端与所述数模转换器的信号输入端连接，所述数 模转换器的信号输出端与所述数字信号处理器的信号输入端连接，所述第二降压开关型集 成稳压芯片的电压输出端与所述数字信号处理器的电压输入端连接，所述数字信号处理器 的信号输出端与所述电机驱动器的信号输出端连接，所述电机驱动器的信号输出端与所述 直流电机的信号输入端连接。
【文档编号】G05D3/12GK203909627SQ201420155889
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】格润洲, 孟鹏飞, 潘耘昊, 毛泽宇, 于思奇 申请人:孟鹏飞