[发明专利]欠驱动悬摆运动控制实验装置

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。

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。