[实用新型]直线电机倒立摆

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种倒立摆系统，特别涉及一种直线电机倒立摆，属于自动控制技术科研与教学实验装置的领域。

背景技术

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策略的理想验证平台。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研究人员一直将它视为最佳的理论方法验证试验研究对象，不断从研究倒立摆控制中发掘出新的控制方法，并将其应用于航天科技和机器人学等各种高新科技领域。

在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及实际应用中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证。倒立摆就是这样一个被控制对象。倒立摆系统是一个多变量、快速、非线性和自然不稳定系统，在控制过程中能有效地反映控制中的许多关键问题，如非线性问题、系统的鲁棒性问题、随动问题、镇定问题及跟踪问题等。倒立摆系统作为一个实验装置，形象直观，结构简单，构件组成参数和形状易于改变，成本低廉。倒立摆系统的控制效果可以通过其稳定性直观地体现，也可以通过摆杆角度、小车位移和稳定时间直接度量。其实验效果直观、显著。当新的控制理论与方法出现后，可以用倒立摆对其正确性和实用性加以物理验证，并对各种方法进行快捷、有效、生动的比较。

传统的直线式倒立摆如附图1所示，它是将摆杆通过一个活动的“铰链”竖直安装在小车上，小车与传动机构相连，传动机构可以是多种形式，如：皮带和导轮组合，链条和导轮组合，齿轮齿条组合等。小车置于导轨上，由旋转伺服电机通过上述驱动机构驱动小车在导轨上做水平直线运动来控制摆杆的倒立。由于传动机构复杂、环节多，实践中常由于传动机构的故障误差而不是控制方法本身的问题导致实验失败，因而可靠性较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的以上缺点，提供一种结构简单、可靠性高、控制效果稳定的直线电机倒立摆。

本实用新型通过以下技术方案实现：

本实用新型的一种直线电机倒立摆，包括摆杆、电机驱动器及其控制系统，其中：倒立摆杆通过转轴连接在底座上，底座直接固定在直线电机驱动的平台上，转轴一侧装有一个一级增量式角度编码器，另一侧与倒立摆杆一端连接。

本实用新型所述的直线电机倒立摆，其中：在导轨上滑动的所述平台与直线电机的动子固定连接，直线电机定子为长条凹槽状，与导轨同方向设置，可带动平台沿导轨移动的所述动子有间隙地插在所述定子的长条凹槽内，所述定子的长条凹槽开口为水平方向，所述导轨为单根导轨。

本实用新型所述的直线电机倒立摆，其中：在导轨上滑动的所述平台与直线电机的动子固定连接，直线电机定子为长条形状，与导轨同方向设置、可带动平台沿导轨移动的所述动子有间隙地放置在所述定子的上方，所述导轨为双导轨。

本实用新型所述的直线电机倒立摆，其中：所述倒立摆杆为若干级摆杆组成，在前一级摆杆的自由端连接一个U型块，U型块上装有一个轴，轴的一端连有一个增量式角度编码器，另一端活动连接有次级摆杆。

本实用新型所述的直线电机倒立摆，其中：所述倒立摆杆为一级摆杆，由一级摆杆构成。

本实用新型所述的直线电机倒立摆，其中：所述倒立摆杆为二级摆杆，在一级摆杆的自由端连接一个U型块，U型块上装有一个轴，轴的一端连有一个二级增量式角度编码器，另一端活动连接有二级摆杆。

本实用新型所述的直线电机倒立摆，其中：所述倒立摆杆为三级摆杆，在二级摆杆的自由端连接一个U型块，U型块上装有一个轴，轴的一端连有一个三级增量式角度编码器，另一端活动连接有三级摆杆。

本实用新型所述的直线电机倒立摆，其中：在所述导轨和平台之间设置有直线位移测量装置套件，包括采集电机光栅信号和角度编码器信号的装置。

本实用新型所述的直线电机倒立摆，其中：采集电机光栅信号和角度编码器信号的装置与计算机控制卡连接，该卡内设有信号处理模块和计算模块，计算结果通过计算机转化为控制信号由计算机将控制信号送给控制卡及电机驱动器，电机驱动器按照控制卡内的控制信号驱动电机工作，控制摆杆位于竖直位置附近不倒。

本实用新型具有如下显著优点：