XZ-II型倒立摆产品说明书

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前言

一、 XZ-IIA旋转式倒立摆概述 1.1 系统总体结构 1.2 机械结构 1.3 硬件部分 1.4 软件部分

二、 XZ-IIA旋转式倒立摆的系统使用 2.1 注意事项 2.1.1 开机注意事项 2.1.2 装配电脑的要求 2.1.3 使用注意事项 2.2 系统使用

2.2.1 开机操作与电位器零位的调整方法 2.2.2 系统操作与维护

三、 XZ-IIB、XZ-IIC型倒立摆的操作说明3.1 随动系统的机械改装说明 3.2 XZ-IIC型倒立摆操作说明 3.3 XZ-IIB型倒立摆操作说明

前言

现代科技发展，推动传统教学方式的改革，迫使教学着眼培养学生的创造能力和实际操作能力。一流的教学实验设备为学生掌握所学知识提供可靠保证，使之能更好更快地运用到社会生产实践中去。

科大创新股份有限公司自动化分公司研制的XZ-Ⅱ型旋转式倒立摆系统，是一个典型的机电一体化系统，采用内置DSP运动控制器和力矩电机进行实时运动控制。XZ-Ⅱ型倒立摆，及其功能扩展后的位置伺服系统，为自动控制理论，计算机控制系统等课程的教学和研究，提供了这类课程全方位的教学实验平台，同时它让学生理解和掌握机电一体化产品的部件特征和系统集成方法。

倒立摆及其功能扩展的位置伺服系统作为一种自动控制教学实验设备，能够全面地满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过实验装置直观的表现出来。

倒立摆的控制技巧，极富趣味性，很适合学习自动控制课程的学生使用它来验证所学的控制理论和算法，加深对所学课程的理解。基于DSP的旋转式倒立摆系统的最大特点是机械结构简单、可靠，成本低廉、体积小，是高等院校理想的自动控制教学的实验设备。

除教学用途之外，由于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，许多控制理论的研究人员一直将它作为研究对象，并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法，相关的成果在航天科技和机器人学方面获得了广泛的应用。因此，倒立摆设备也是进行控制理论研究的理想平台。

XZ-Ⅱ型倒立摆系统可以方便地构成一个位置控制系统的被控对象，并配置由运算放大器组成的校正网络实验箱，构成位置控制系统进行经典控制理论（调节原理）的教学实验。也可用VC++6.0实现模拟运算放大器校正网络的功能。通过微机配置的调节原理实验软件，在计算机上实现系统的稳定性、时域特性、频域特性分析和品质校正的实验。此外，配置计算机控制系统和控制系统计算机辅助设计等课程的相关软件，用于控制系统设计类课程的实验。

综上所述，XZ-II型旋转式倒立摆系统的系列产品是一个多功能的教学实验平台，产品使用DSP芯片来控制倒立摆，有利于系统的小型化，控制更加快速，抗干扰性强，控制品质有很大提高，可用于多门课程的教学实验。为教学和研究提供了现代实验装备和手段。

一、 XZ-IIA旋转式倒立摆概述

1.1、系统总体结构

XZ-ⅡA型旋转式倒立摆系统采用DSP作控制器，由直流力矩电机直接驱动，能够独立执行实时控制算法，脱离计算机直接运行；也可以通过RS-232C串行通讯接口用计算机控制，进行在线控制算法调试，是具有独立控制能力和标准通讯接口的专用智能实验设备。它的DSP部分、电源与电机驱动部分全部安装在机箱内，采用这样封闭式的结构，不易人为损坏。运动部分安装在机箱上，整体结构比较紧凑、合理。

图1是系统的总体结构示意图。

图1、系统总体结构图

系统的组成框图及工作原理如图2所示。

图2 系统框图

1.2、机械结构

系统的机械结构如图3所示，其中各部分为：1．旋臂，2．摆杆，3．电位器，4．直流力矩电机，5．支架，6．机箱，7．电源开关，8．A、B、C为调节螺丝，9．D、E分别为电位器1、2的轴。

一些器件的参数如下：

1. 机箱尺寸：360 mm×240 mm×90mm，旋臂尺寸：Φ15mm×200mm，摆杆尺寸：Φ15mm×

250mm，支架高度：400mm。

2. 旋臂质量（包括电位器2）：200g；摆杆质量：50g。两者都采用铝合金材料。

3. 测量电位器：WDD35D导电塑料电位器，阻值：1KΩ，独立线性度：0.1%，寿命达5000万

转。

4. 直流力矩电机：70LY53永磁直流力矩电动机，堵转电压：Uf=27V，满额电流：If=2.26A，堵

转力矩：Mf=0.627Nm，最大空载转速：Nomax=900r/min。

图3、机械结构图

1.3、硬件部分

1. 以TMS320F240 DSP控制器为核心器件，这是TI公司专门为电机控制系统设计的，具有强

大的数据处理功能和丰富的片内外设模块。能够独立执行实时控制算法，也可以通过RS-232C串行总线与计算机通讯。其主要的性能指标如下：

1) 高速静态CMOS工艺，16位定点数字信号处理器，50ns指令周期。

2) 224K ×16位字的寻址能力（程序、局部数据、IO各64K，全局数据32K），544字×16

位片内数据/程序双口（Dual-Access）RAM，16K字×16位片内闪速存储器（FLASH）。 3) 双10位ADC单元，各有8路输入，能够在10μs内同时实现两路转换。 4) 12路比较/脉冲调宽（PWM）输出，直接针对电机控制系统设计。 5) 串行通讯接口：支持RS-232标准的串行通讯。

6) 具有可编程中断系统、事件管理模块、看门狗电路、锁相环时钟及基于扫描的仿真接口

（JTAG标准）。 1. 20V直流稳压电源由集成电路LM317提供，输出电流可达1.5A， 5V 直流稳压电源由集成

电路7805提供。

2. 电机驱动部分采用PWM工作方式的芯片A3952SW。将DSP单元送出的PWM和DIR信号

进行合成放大，驱动电机工作。

3. 变压器型号R80，功率72W，空载电流7mA，频率50Hz，初级输入电压220v。 4. 与计算机通讯，采用RS-232串行通讯接口。

1.4、软件部分

软件系统包括DSP和PC两个部分。 5. PC软件编程语言 Microsoft VC++ 6.0。

6. 控制周期是10ms，界面上的显示刷新周期是50ms。 7. DSP软件编程利用CC编译器。 8. 提供以下两种基本的运行方式：

1) 联机调试方式：由PC进行控制，DSP只是作为PC的采样和控制输出接口单元使用，自身不

进行算法处理。

2) 脱机运行方式：由DSP独立进行控制，此时，DSP仍然可以利用串行通讯接口将实时控制数

据发送到PC中，但是，PC只是用作观测、分析运行数据。具有良好的人-机界面，可以很方便地进行算法调试。

二、XZ-IIA型旋转式倒立摆的系统使用

2.1、注意事项

2.1.1、开机注意事项

1. 开箱之后，手提支架将倒立摆放置在具有一定强度且平稳的实验台上。

2. 检查倒立摆有无损坏，螺钉是否松动，尤其是A、B、C处（见图3）是否松动。 3. 检查所配附件有无短缺、损坏。

附件倒立摆主体（包括摆杆、旋臂、电机、电位器、机箱等）电源线 RS-232C串行总线光盘一张用户使用手册实验指导书数量 1 1 1 1 1 1 2.1.2、电脑的配置要求 A、操作系统是WIN98； B、内存足够大，最好是256M； C、机器内装有VC++6.0软件；

D、 PC机中装有MATLAB6.1软件；

现在版本的软件只能在WIN98的操作系统下运行，请用户必须安装WIN98

2.1.3、使用注意事项

1、倒立摆装置要摆放在有足够强度和稳度的水平桌面上。

2、置两端要有足够的空间，使得旋臂和摆杆能够自由地晃动。有关人员应避免站在摆的左

右方，以免造成伤害。

3、不要在高温和潮湿的环境中使用该设备。

3、进行系统连线、拆卸与安装前，必须关闭系统所有电源。

2.2、系统使用

2.2.1、倒立摆的开机操作及电位器零位调整方法

1. 倒立摆从纸箱里拿出来之后，放在平整的桌面上，在桌子的附近要有一台电脑。拿出电源线和232接口线，首先插好电源线，然后用内六角扳手把固定摆杆和悬臂的夹箍松开。再检查有无螺丝松动，若有螺丝松动请上紧！

2. 打开倒立摆的电源，打开电源的同时最好用手扶助摆杆，当摆杆和悬臂打到倒立摆黑色固定限位垫圈时等待大概30秒的时间悬臂开始震动，此时用手轻轻的扶助悬臂和摆杆到倒立的位置，倒立摆就可以正常工作了。

3、以上操作倒立摆不能正常工作，此时可以关掉电源然后重新打开电源，再重复以上的操作。如果多次开关机后仍然不能正常工作，可以判断电位器的零位不对，需要调整倒立摆电位器的零位。以下重点介绍电位器的零位调整方法：

1、首先关掉电源，然后放倒倒立摆打开倒立摆的底盖，拔掉电源板上电机线插头（电源板上有

散热器很好确认，电机线插头在集成块A3952附近，两芯的大插头）。 2、把倒立摆重新放正，连接好RS-232接口线到计算机上，运行PC控制软件后出现图（4）所示：

然后设置相关参数如下：

1）控制/倒立操作

2）文件/设置操作设置参数同图（5）所示画面 3）文件/开始操作。

2、松开倒立摆的电位器固定螺丝参照图（6）：A、B、C、D、E五个螺丝然后用一字螺丝刀调整

电位器调节处T1、T2就行了。

图（6）

注：倒立摆电位器零位调整参照图（先松开A、B、C、D、E等5个电位器固定螺丝，

再调T1、T2电位器调节处

3、打开倒立摆的电源观察PC上显示的和倒立摆实际的位置是否一致，如果不一致调节T1、T2

使得倒立摆实际的位置和PC中显示的位置一样就行了。

4、调节完毕后固定螺丝，固定时千万要小心先固定B然后固定C、D、E最后固定A。

5、螺丝固定后，看此时倒立摆的摆杆和悬臂位置是否和PC显示的一致，若此时还是一致说明电

位器的零位调节成功！关掉倒立摆电源。 6、插上电源板上电机插头（红、黑两色），上好底盖。 7、打开倒立摆此时倒立摆应该能正常工作了。

说明：电位器零位的调整比较不容易，学生一般要在老师的指导下进行。

2.2.2系统操作与维护

1. 脱机控制（不需要计算机直接用倒立摆内部的DSP控制） 1）倒立摆的脱机控制

无需与计算机连接，由DSP独立完成控制功能。接通电源后，打开倒立摆开关，旋臂将带动摆杆摆起到倒立位置附近，（必要时用手扶到中间位置，）倒立摆保持平衡运动状态。 2）随动系统的脱机控制（我们开发的XZ-IIB型具有此功能）

无需与计算机连接，主要由多个设备连接起来使用，主要的设备是倒立摆一台、电平转换盒一个、模拟机一个另外还需要信号发生器和示波器各一台。整个系统构成了模拟随动系统，用户按实验要求连接好系统后，就可以做随动系统的控制实验了。具体操作见XZ-IIB操作说明。

如果需要通过计算机观察倒立摆的运行曲线，用RS-232C串行通讯接口将倒立摆和微机连接。利用提供的PC软件，可以监视倒立摆的运行情况，进行数据处理。 2. 联机控制（利用计算机进行控制） 1）倒立摆

用RS-232C串行通讯接口将倒立摆和微机连接。打开系统提供的PC程序设置为“控制模式”后开始运行程序。然后打开倒立摆装置上的开关，旋臂将带动摆杆摆起到倒立位置附近，（必要时

用手扶到中间位置，）倒立摆保持平衡运动状态。通过程序界面可以观察倒立摆的运行曲线，并可以将运行数据保存到文本文件，以便进行分析处理。

2）随动系统的联机控制（我们开发研制的XZ-IIC型具有此功能）

此系统可看成是数字模拟系统，主要利用计算机和软件完成随动系统的控制，具体的操作见XZ-IIC操作说明。 3．软件使用说明

1）装好光盘，将PC控制软件的文件夹复制到PC上，此软件可直接运行。需要注意的是软件的运行环境要求是WIN98操作系统，最好安装VC++6.0和MATLAB6.1两个软件以便后面的实验操作。

2）用RS-232串行通讯接口线将倒立摆和PC机相连接。 3）运行DSP.EXE，将出现图（4）所示界面图（4）点击“文件（F）”“/设置（S）”，出现RIP SETING对话框见图（5）。通过这个对话框，在“控制模式”下，可以在线设置和修改除运行模式之外的其他控制参数。而只有在停止运行时才可以修改运行模式，以防止意外发生。

图（5）

4）参数设置主要包括以下4个方面。 ? 运行模式

控制模式：由微机进行控制和数据处理，并借助串口通讯由DSP实现采样和输出。监视模式：控制在DSP中完成，微机用作观测与保存运行数据。控制模式（user）：当用户设计好自己的控制算法，在此模式下实验控制效果，主要由PC机进行控制和数据处理，并并借助串口通讯由DSP实现采样和输出。

? 基本设置，用于设置硬件上的参数，包括电机的满额电压，死区电压，这一般是不用改变的。

另外是摆杆和旋臂的调零，当发生意外碰撞时，可能需要重新调节。输入数值时，可看到旋臂或摆杆会发生相应的偏移。

? Ka，Ko，Kva，Kvo是状态反馈控制方法中的反馈系数。

? 在实现摆起控制时，可以根据实际情况调节摆起电压，制动角度，左右校正等参数。

注意：运行时请退出任何其它应用程序，以免内存不足及系统多任务影响串行通讯，影响系统正常工作。 4．系统维护

1)电气部分出现故障，将倒立摆放倒，松开箱体底面的6个螺钉，可将底板装置上的驱动部分及DSP部分拆开，进行维修调整。

2)摆杆摆动时距离箱体距离不相等，可松开图2中C处的螺钉，调整摆杆位置，使它不与箱体发生碰撞。

3)由于意外使倒立摆发生撞击或摔打，倒立摆无法实现倒立控制，或者旋臂偏移平衡位置较大，则需要重新调节电位器的零点。

三、XZ-IIB及XZ-IIC旋转式倒立摆操作说明