【正文】 場合，需使用z相(原點)控制。7. 單相、正交AB相、絕對值型旋轉編碼器選擇單相旋轉編碼器僅使用在無反向旋轉的場合。如旋轉編碼器每轉1圈發(fā)出750個脈沖對應750 mm距離，則其檢測精度為177。信號轉換也是要考慮的問題，首先要注意接受設備能否接受該頻率的脈沖信號，其次，接受正交AB相、絕對值型旋轉編碼器脈沖信號一般需要專門的設備。線驅動器式使用I/O接口，適合長距離高頻率傳輸信號。旋轉編碼器電壓信號輸出形式主要有：脈沖輸出的推拉式和線驅動器式；持續(xù)輸出的串行或并行格雷碼。4. 機械性能在小型的精密儀器上使用還需要考慮旋轉編碼器的啟動轉矩和慣性力矩等。2. 防護條件即所需的旋轉編碼器的防護等級，主要有：防塵型、防滴型、防油型等。由于光電編碼器輸出的檢測信號是數(shù)字信號，因此可以直接進入計算機進行處理，不需放大和轉換等過程，使用非常方便，因此應用越來越廣泛。 （1）其中 n——編碼器線數(shù)。為了測量出轉向，使光欄板的兩個狹縫比碼盤兩個狹縫距離小節(jié)距，這樣兩個光敏元件的輸出信號就相差相位，將輸出信號送入鑒向電路，即可判斷碼盤的旋轉方向。在碼盤的另一側有一個光敏元件，接受從透明縫中透過的光，把光信號轉化成電信號并將其調制成兩列相位差90○的脈沖，經過放大電路后輸出，然后通過信號處理電路的整形、放大、分頻、記數(shù)、譯碼后輸出。在增量編碼其中，一個碼盤被等分成若干個透明和不透明相間的區(qū)段，并被固定在編碼器的軸上。圖311 光電編碼器原理示意圖當碼盤隨工作軸一起轉動時，光源透過光電碼盤上的光欄板形成忽明忽暗的光信號，增量式編碼器能在每一轉發(fā)出若干個脈沖信號。光源將光投射在碼盤上時，當旋轉軸帶動碼盤轉動時，通過亮區(qū)的光線經狹縫后，由光敏元件所接收，把碼盤上按照一定碼制刻劃的角度信息轉換為電信號，根據(jù)需要把電信號經電路處理或給計算機處理，得到所需要的角度量。光電編碼器主要由安裝在旋轉軸上的編碼圓盤(碼盤)、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏接收元件等組成。因此，要根據(jù)實際需要確定有關參數(shù)，使構建的功率放大器有較高的性能價格比。實際設計綜合考慮各種因素，在1000HZ至數(shù)萬HZ的范圍內選取PWM切換頻率。如果脈沖切換頻率選擇不當，電機的低速性能有可能不理想，容易燒毀晶體管，而且由于電流不連續(xù)，電機可能產生劇烈震蕩，甚至出現(xiàn)嘯叫現(xiàn)象，這些都是不允許的。此種電路設計方案只需通過一路PWM即可達到控制電機轉向及轉速的功能，節(jié)省了控制器的輸出引腳及控制難度，缺點是功耗大，L298芯片容易發(fā)熱，因此應加散熱片。同時，如果改變PWM脈沖的寬度，電樞中的平均電流也將變化，電機轉速便隨之改變。L298驅動直流電機電路如Error! Reference source not 。類似的技術在目前高檔電源設備中經常使用，這類所謂的開關電源其效率比普通電源高許多。需要注意的是，在三極管關斷期間，由于電機存在反電動勢，電流將向20V穩(wěn)壓電源倒灌，因此要注意元件耐壓選取和器件保護。這樣，就可以利用電橋控制直流電機的正反轉和輸出力矩大小。圖39 “H電橋”PWM技術原理當方向信號Dir=1時，三極管b、c關斷，而a、d在PWM信號作用下不斷地開關，從而可以通過改變PWM信號的占空比來調節(jié)通過電機的電流，也就控制量電機的輸出力矩，同時電流方向總是保持不變。表 31 L298狀態(tài)表輸入功能C=H；D=L前進C=L；D=H后退C= D快速制動C=；D=自動停止L298采用了所謂全橋脈沖調寬技術（也稱為“H電橋”脈沖調寬技術）進行電機驅動。每一組PWM波用來控制一個電機的速度，而另外兩個I/O口可以控制電機的正反轉，控制比較簡單，電路也很簡單，一個芯片內包含有8個功率管，這樣簡化了電路的復雜性。L298是驅動二相和四相步進電機的專用芯片，它內部集成有兩個橋式電路。我們選用L298作為電機驅動芯片正是基于以上的考慮。PWM（脈沖寬度調制）功率放大器的優(yōu)點是功耗低、效率高、體積小、價格低、工作可靠、易于克服伺服電機的靜摩擦等，故它具有廣泛的應用。倒立擺在運動中必須不斷地改變速度、方向和精確地定位，往往需要采用直流伺服電機，并相應地要求電機的功率放大器具有良好的電壓調整特性。有固定電壓情況下，用脈沖寬度的占空比調整控制電機的轉速要解決下面幾個問題：(1) 圖38中的K1～K4開關，應該是大功率電子開關。直流電機的轉速大小是與加在直流電機上的電源電壓成正比的。普通直流電機也具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，結合考慮體積和價格因素，因此選用普通電機即可。因此在精密定位和寬調速范圍的應用場合，一般都選用伺服電機，當然它的價格也較高。直流電機有普通直流電機和直流伺服電機之分，兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在性能方面。隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制（pulse width modulation，簡稱PWM）控制方式已成為絕對主流。而電壓的改變有兩種方法：一是每相的導通時間不變，改變加在線圈上的電壓幅值；二是電壓幅度不變，改變電壓波形的占空比。電樞繞組的電流隨著轉子位置的變化而按一定規(guī)律換相，功率開關元件的截止與導通是與轉角同步變化的。如用外部直流電源，經電刷換向器裝置將直流電流引向電樞繞組，產生轉矩，驅動轉子與連接于其上的機械負載工作，此時電機作直流電動機運行。換向器質量對運行可靠性有很大影響。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個整體。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。直流電機的轉子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉軸等部件構成，是把電能轉換成機械能的部分。直流電機的定子由機座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成，里面的部分是固定在機身的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產生磁場的線圈制成。直流電機的結構形式很多，但基本的構造的相同的，即必須有定子、轉子和換向器，其間有一定的氣隙，如圖37所示。直流電機（）是實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉換的電機。由于它具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性；盡管今年來不斷受到其他電動機的挑戰(zhàn)，但到目前為止，它仍然是大多數(shù)調速控制系統(tǒng)的最優(yōu)先選擇。圖 36串口0于PC機通信 直流電機及其驅動電路模塊 直流電機的結構及原理直流電機是最早出現(xiàn)的電動機，也是最早能實現(xiàn)調速的電動機。圖 35 UART0串口通信電路使用UART與PC機通訊的連接示意參考如圖 。SP3232E是3V工作電源的RS232轉換芯片。UART0串口通信模塊的電路圖如圖 所示。當選擇Vref時，參考電壓有R20和R27分壓得到，選擇Vref時，由用戶輸入作為參考電壓。LPC2131增加了獨立的基準電壓源引腳，對轉換精度很有利，進行AD轉換。圖 33 系統(tǒng)時鐘AD接口電路本設計只需要一路A/D采樣即可，而LPC2131擁有1個10位8路A/D轉換器，完全滿足設計要求。圖 32 系統(tǒng)復位電路系統(tǒng)時鐘，電路如圖 所示。其電路原理圖如圖 所示。圖31 EasyARM2131電源電路復位電路由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作電壓導致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應、時鐘源的穩(wěn)定性和電源監(jiān)控可靠性等諸多方面提出了更高要求。然后經過C。；輸出電壓精度高；穩(wěn)定性高，并具有電流限制和熱保護。在本系統(tǒng)中，為了方便系統(tǒng)的初始化設置、調試，EasyARM2131開發(fā)板主要分為以下幾部分：電源電路此系統(tǒng)芯片是選用菲利普公司的LPC2131。其中，TIMER、UART、PWM三個部件是通過VPB總線掛接在LCP2131主控制器上，電機控制模塊等外部模塊是通過引出的I/O口和核心處理器相互通信的。本設計的倒立擺控制系統(tǒng)以一片ARM7處理器LPC2131為核心，配以TIMER（定時器）、UART（異步串行口）、PWM（脈寬調制器）、SPI接口等片內外圍電路，加上電機驅動控制模塊、電源模塊、檢測模塊、鍵盤顯示等外圍電路。經過以上考慮，我們最后選用的是ZLG公司的LPCARM2131。大多數(shù)的ARM微處理器片內存儲器的容量都不太大，但本系統(tǒng)的設計不需很多的存儲空間?！　ぶ贩绞届`活簡單,執(zhí)行效率高。　　大量使用寄存器,指令執(zhí)行速度更快。采用RISC架構的ARM微處理器一般具有如下特點：　　體積小、低功耗、低成本、高性能。除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應用領域，擴展了相關功能模塊，并集成在芯片之中，我們稱之為片內外圍電路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等，設計者應分析系統(tǒng)的需求，盡可能采用片內外圍電路完成所需的功能。優(yōu)點是：(1)可以彌補統(tǒng)計過程中遺漏的點數(shù)；(2)保證系統(tǒng)投入運行后，個別點有故障時，能夠替換；(3)預備將來可能增加的點數(shù)需求。通常，在選型之前首先確定系統(tǒng)I/O點數(shù)和存儲器容量。如果工業(yè)控制要求在進行邏輯控制的同時還要完成模擬量輸入輸出、PID調節(jié)、網(wǎng)絡通信等專門功能時，就需要考慮所選擇的機型是否支持這些專用模塊。 倒立擺系統(tǒng)中通訊控制系統(tǒng)的選型倒立擺系統(tǒng)中通訊控制系統(tǒng)機型的選擇內容，涉及到很多方面的問題，歸納起來可概括成下列幾個要點：(1) I/O點數(shù)；(2)存儲器容量；(3)處理功能；(4)I/O單元的類型及其規(guī)格；(5)外觀和結構形式；(6)擴展性和系列化規(guī)模；(7)外部設備；(8)環(huán)境適應性。對于要求小車停在軌道上的某個位置，由于倒立擺的平衡過程是動態(tài)過程，擺在鉛垂位置是不穩(wěn)定平衡，所以不能使得小車絕對的停在軌道上的預定位置，而只能是在這個位置附近左右移動，以保持倒立擺的動平衡，有鑒于此，規(guī)定當小車在某預定位置左右的范圍內移動時，就認為是小車停在了這個位置。對于擺桿不倒這個控制目標，需要為計算機確定一個范圍，即在這個范圍中，可以認為倒立擺是平衡的，而計算機控制系統(tǒng)不需再進行恢復平衡的控制。綜合以上結論可得：該系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，且可控可觀。又可求出系統(tǒng)的能控矩陣[24]：rank(ctrb(A,B)),即由,則利用計算機可以求出rank(S)=4，得到矩陣S滿秩，故該系統(tǒng)可控。由此可知，u=0時，倒立擺系統(tǒng)是不穩(wěn)定的系統(tǒng)。eig(GSS)則可得到系統(tǒng)的特征根分別為=。D=0。C=[1,0,0,0。0。,0,0,0]。,0,0,0。得到系統(tǒng)矩陣A和輸入矩陣B為 在Matlab環(huán)境下，求取系統(tǒng)的極點，矩陣A的特征值是方程的根。由于輸出為角度，求解方程組(34)的第一個方程，可以得到把上式代入方程組(34)的第二個方程，得到整理后得到傳遞函數(shù)： (35)其中 模型的狀態(tài)空間方程系統(tǒng)狀態(tài)空間方程為 (36)方程組(33)對解代數(shù)方程，得到解如下：整理后得到系統(tǒng)狀態(tài)空間方程： (37)從控制理論上講，小車位移及速度與擺桿角度及角速度存在著很大的耦合關系，即要將小車運動控制在導軌中心附近的范圍內，又要使擺不倒，就要綜合考慮擺桿和小車的力學關系以及各自所處的狀態(tài)。合并這兩個方程，約去和，得到第二個運動方程： (32)設 (是擺桿與垂直向上方向之間的夾角)，假設與1(單位是弧度)相比很小，即1，則可以進行近似處理：。在實際倒立擺系統(tǒng)中檢測和執(zhí)行裝置的正負方向已經完全確定，因而矢量方向定義如圖，圖26所示方向為矢量正方向[23]。圖 25 抽象后的倒立擺系統(tǒng)模型下圖是系統(tǒng)中小車和擺桿的受力分析圖[22]。 如果F0，小車向左加速運動，當θ 0時，擺桿將回到豎直位置，然后向右加速倒下；當θ 0或θ =0時，擺桿將向右加速倒下。對一級倒立擺的物理模型進行分析如下：如果F 0，小車向右加速運動，當θ 0時，擺桿將回到豎直位置，然后向左加速倒下；當θ 0或θ =0 時，擺桿將向左加速倒下。電機通過皮帶拖動小車在軌道上左右運動，以保持擺桿不倒。擺桿和小車的受力分解圖： 　　　　圖23　一階倒立擺擺桿受力圖 圖24　小車受力圖單級倒立擺由擺桿、小車、皮帶，電機、滑軌組成。 一階倒立擺總體分析 模型參數(shù)說明假設條件：(1) 擺桿和小車都是剛體；(2) 皮帶輪與皮帶之間無相對滑動，傳動皮帶沒有伸長的現(xiàn)象；(3) 小車的驅動力與直流放大器的輸入成正比，且無滯后，忽略電極電樞繞組中的電感；(4) 實驗過程中的庫侖摩擦、動摩擦等所有的摩擦力足夠小，在建模過程中可忽略不計（小車運動是所受的摩擦力正比于小車的速度）；系統(tǒng)參數(shù)說明：(1) 滑動小車的質量M；(2) 擺的質量 m；(3) 小車摩擦系數(shù)b，小車摩擦力f；(4) 重力加速度g；(5) 質心距節(jié)點的距離L；(6) 轉動慣量J=。當小車的加速度較大時，小車容易從齒形帶上跳起，因此在結構上，將電機固定在軌道的一端，不隨小車一起運動，此時需要在電機與小車之間用齒形帶傳動。如果小車與軌道設計成為一體，電機安裝在小車上。解決的方法是限制小車的最大偏角，但同時也降低了倒立擺的工程價值。在此前提下，如果軌道和小車在結構上不是一體的，則小車的運動依賴于其車輪與軌道之間的摩擦力，并且小車的動力源(電機)必須安裝在小車上。關于固定軌道問題，是指軌道是否給小車以約束。因為與仿真不同的是：仿真可以忽略許多實際存在的要素，實際的機械系統(tǒng)需要盡可能減少其他因素，以利控制。在該系統(tǒng)的硬件電路設計好了之后，整個系統(tǒng)控制的關鍵就很容易看出來，即是擺桿角度信號和小車位移的采集和輸出控制驅動力的ARM2131程序控制算法的實現(xiàn)。由以上的分析可以得到倒立擺控