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倒立摆项目笔记
征战电子设计竞赛之倒立摆篇
项目笔记
凌霄电子工作室
2015年05月01 日
前言
倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统。本设计在研究倒立
摆运动规律的基础上,通过实际制作中探索,从倒立摆系统的机械结构、硬件选
择、程序设计三个方面对倒立摆系统的制作进行介绍,我们相信我们设计的倒立
摆在各方面性能优异。
机械篇
编码器
空心杯电机
旋转臂 摆杆
底座
图1 机械结构图
图1为倒立摆系统机械结构图。机械部分主要包括底座、竖直支架、电机支
架、电机轴与旋转臂链接件、旋转臂、旋转臂与编码器链接件、摆杆等七部分。
底座的选择
在本系统中底座的选择,相对而言比较容易,在制作过程中,根据实际情况
选择。在不同时期,曾经尝试过三种底座,分别如下:
I
图2 几种不同的底座材料
以上三个底座材料分别为台式电脑机箱座、圆形钢底座、复合板底座。为保
证倒立摆系统工作过程中系统的稳定性、底座应该有一定重量,否则若倒立摆旋
转过程中带动底座,会引起系统不稳定。
竖直支架与电机支架的选择
竖直支架一般需要进行设计,竖直支架与底座之间连接、电机支架与竖直
支架要牢靠,可靠的机械系统是倒立摆系统优质完成的保证。具体设计可以根据
自己实际情况进行设计。
图3 二种不同的设计方式
电机旋转臂连接件的设计
电机与旋转臂的一般需要自行设计。设计中充分考虑电机的轴与旋转臂的轴,并
在设计中增加锁紧螺丝,用于锁紧电机轴与旋转臂。
图4 连接件不同角度效果图
II
图5 连接效果图
旋转臂的选择
旋转臂一般选择圆棒,圆棒的材料可以根据实际情况进行选择。在实际制作
中,可以选择铝棒、钢棒、碳纤维棒等材料,根据题目要求,建议长度为20-25CM,
直径8MM。
图6 钢棒与碳纤维棒实物图
旋转臂与编码器连接件设计
旋转臂与编码器链接件设计需要根据实际选择编码器尺寸,旋转臂轴径等综
合考虑。
图7 连接件实物三视图
摆杆选择
经过测试,摆杆选择铝棒进行加工比较好,相同长度,直径相关的铝棒质量
III
比钢棒、铁棒轻、比碳纤维棒沉,测试效果最好。建议选择长度20CM,直径8MM
铝棒
图8 摆杆装配图
电路篇
电机选择
方案一:采用空心杯直流减速电机。
优点:空心杯电动机属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电动机具有杰
出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性。
缺点:辐射产生电磁波干扰,减速箱存在机械虚位。
方案二:采用步进电机。
优点:步进电机是纯粹的数字控制电动机,它将电脉冲信号转变为角位移,
步进电机属于开环控制,累计误差小,成本相对低廉。
缺点:步进电机角度分辨率低,且转动时伴随着强烈的振动,这对旋转臂及
摆杆的稳定性是不利的。
方案三:采用伺服电机。
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