[发明专利]一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法及系统

权利要求书

1.一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，规划控制系统整体性能指标，规划控制系统整体性能指标具体为：

控制系统输出的模拟信号为N通道，各通道之间相互独立，并且可以相互配合输出；控制系统输出的电压信号的波形、幅值、频率和相位差可调，电压为-5V～5V，频率为0.1Hz～3Hz；控制系统每个通道的输出电流最大为1.5A；

S2、基于步骤S1中控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；

S3、根据步骤S2设计的硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能将硬件组成模块进行组合，并对应设计硬件系统的各模块电路结构，硬件系统的各模块电路包括主控电路结构、数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构；主控电路结构分别与数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构连接，电源电路结构中，采用±12V开关电源双路供电，同时为功率放大器供电；通过稳压芯片将控制系统供电电压+12V转换为+5V电压输出为DAC数模转换模块供电，通过电阻分压为运算放大器提供1V参考电压；通过低压差线性稳压器(LDO)将+5V转换为+3.3V电压为单片机供电，通过正负双路输出DC-DC模块电源将+5V转换为±5V输出电压为运算放大器供电，数模转换电路结构中，数字信号与模拟电压输出之间的关系：

其中，V_o为DAC数模转换模块输出电压，REF为基准电压，CODE为数字输入值，输入范围为0×000至0×FFC；

差分比例运算电路结构中，差分比例运算电路的输出信号OUT为：

其中，DAC为数模模块电路的输出电压，REF为基准电压，R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝10K；

功率放大电路的输出信号U₀为：

其中，OUT为差分比例运算电路的输出信号，R₁₉＝9K，R₁₈＝1K；

S4、在硬件系统的基础上，进行软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值和相位差，完成IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统的设计，控制波形输出信号具体为：

利用MATLAB将正弦波一个周期的相位-幅度关系离散化，按相同的时间间隔取点形成正弦波数据表，然后将正弦波数据表存放在单片机的程序存储空间中，按固定的时间间隔发送给DAC数模转换模块电路，输出相应的正弦波信号；通过定时器设定的中断时间控制输出信号的频率；通过正弦波数据表中的值域范围调节输出信号的幅值；通过正弦波数据表查表的起点位置调节输出信号的相位差，正弦波数据表每周期的采样点为128个，相邻通道查表起点相距64个点相位差为π，32个点相位差为π/2，16个点相位差为π/4。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，硬件组成模块包括单片机控制模块，单片机控制模块依次经DAC数模转换模块、差分比例运算模块和功率放大模块后输出至IPMC；功率放大模块与电源模块连接；电源模块经DC-DC模块分三路，一路与DAC数模转换模块连接，第二路经LDO模块与单片机控制模块连接，第三路经正负双路DC-DC模块与差分比例运算模块连接。

3.一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计系统，其特征在于，包括：

性能模块，根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，规划控制系统整体性能指标，规划控制系统整体性能指标具体为：

控制系统输出的模拟信号为N通道，各通道之间相互独立，并且可以相互配合输出；控制系统输出的电压信号的波形、幅值、频率和相位差可调，电压为-5V～5V，频率为0.1Hz～3Hz；控制系统每个通道的输出电流最大为1.5A；

规划模块，基于性能模块中控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；

组合模块，根据规划模块设计的硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能将硬件组成模块进行组合，并对应设计硬件系统的各模块电路结构，硬件系统的各模块电路包括主控电路结构、数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构；主控电路结构分别与数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构连接，电源电路结构中，采用±12V开关电源双路供电，同时为功率放大器供电；通过稳压芯片将控制系统供电电压+12V转换为+5V电压输出为DAC数模转换模块供电，通过电阻分压为运算放大器提供1V参考电压；通过低压差线性稳压器(LDO)将+5V转换为+3.3V电压为单片机供电，通过正负双路输出DC-DC模块电源将+5V转换为±5V输出电压为运算放大器供电，数模转换电路结构中，数字信号与模拟电压输出之间的关系：

其中，V_o为DAC数模转换模块输出电压，REF为基准电压，CODE为数字输入值，输入范围为0×000至0×FFC；

差分比例运算电路结构中，差分比例运算电路的输出信号OUT为：

其中，DAC为数模模块电路的输出电压，REF为基准电压，R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝10K；

功率放大电路的输出信号U₀为：

其中，OUT为差分比例运算电路的输出信号，R₁₉＝9K，R₁₈＝1K；

软件模块，在组合模块设计的硬件系统的基础上，进行软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差，完成IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统的设计，控制波形输出信号具体为：

利用MATLAB将正弦波一个周期的相位-幅度关系离散化，按相同的时间间隔取点形成正弦波数据表，然后将正弦波数据表存放在单片机的程序存储空间中，按固定的时间间隔发送给DAC数模转换模块电路，输出相应的正弦波信号；通过定时器设定的中断时间控制输出信号的频率；通过正弦波数据表中的值域范围调节输出信号的幅值；通过正弦波数据表查表的起点位置调节输出信号的相位差，正弦波数据表每周期的采样点为128个，相邻通道查表起点相距64个点相位差为π，32个点相位差为π/2，16个点相位差为π/4。