簡易旋轉倒立擺及控制裝置

王 桔

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

簡易旋轉倒立擺及控制裝置

王 桔

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

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

旋轉式倒立擺;狀態反饋;穩定性

0 引言

日常生活中，我們經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，這種系統或裝置，就是倒立擺。

倒立擺系統是一個復雜的、不穩定的非線性系統，由于其自身是一個絕對不穩定、多變量、強耦合的高階非線性系統而被廣泛研究，其控制方法多種多樣，在半導體及精密儀器加工、機器人控制技術、人工智能、導彈攔截控制系統、航空對接控制技術、火箭發射等工程技術領域有著廣闊的利用開發前景。

1 旋轉倒立擺的工作原理

倒立擺系統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，反饋給單片機，單片機根據反饋回來的信號通過姿態計算，改變PWM信號，PWM信號送給LM298電機驅動，改變直流力矩電機轉速與方向，使豎直擺桿實現各種姿態。

倒立擺系統的工作原理圖如圖1所示。

圖1 工作原理圖

2 系統的工作原理

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。力矩電機的堵轉轉矩高，堵轉電流小，能承受一定時間的堵轉運行。

這次設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，驅動電路簡單，穩定性能強，負載能力強等優點，當負載轉矩增大時它會自動的將轉速降低，與此同時輸出轉速會增大。當負載轉矩為一定值時對電機端電壓進行改變便可進行調速.但是轉速的調整率不理想，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定性得以改善。

2.2 擺桿的狀態檢測

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

3 驅動與控制算法

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

3.1 電源與驅動電路

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

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管導通的時間，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速的目的，即實現PWM調速。圖2所示為電機驅動模塊連接圖。

圖2 電機驅動模塊連接圖

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

3.2 模型分析

倒立擺系統中，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為旋臂對轉軸的轉動慣量(包括電機轉軸自身的轉動慣性)，f1為相應的摩擦系數，m1是旋臂的質量，sinθ1是旋臂的質心到轉軸的距離。1為旋臂與垂直線的夾角。G為重力加速度。M0為電機輸出轉矩:

這里Km、Ke分別是電機的力矩系數和反電動勢系數，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 系統模塊分析

3.3 軟件設計

本設計的軟件流程圖為圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 測試結果分析

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

5 結語

采用具有獨立數據處理功能的控制芯片作為核心器件，并采用MPU-6050對數據進行理設計而成的簡易旋轉倒立擺裝置，提供比較強大的功能和靈活的結構。在軟件方面我們采用PC與單片機結合的方式，提供多種運行模式，在控制算法方面，用狀態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，但對其穩定性和抗干擾能力上還需要進一步的調整和研究。

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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。

責任編輯:

吳旭云