[实用新型]一种直立旋转自平衡演示仪

说明书

本实用新型公开了一种直立旋转自平衡演示仪，属于物理教学仪器领域，是实验室里验证控制理论的理想模型，能有效地反应非线性、鲁棒性、镇定、随动等关键问题。具体包括本直立旋转自平衡演示仪包括：演示仪框架1，演示仪框架1上设置核心主板2、电机驱动板3、电机支架4，电机支架4上设置有JGB37‑520电机5，JGB37‑520电机5上设置有AB相增量式霍耳编码器6、导电环7、电机臂8，电机臂8上设置有霍耳角度传感器9，霍耳传感器9上连接了长方形摆杆10，带动电机臂进行稳定控制，实现直立旋转自平衡的演示，其摆动参数实时通过液晶显示模块11显示。采用模块化设计、体积小、功率低，达到了良好的演示效果和安全性保障。

技术领域

本实用新型涉及物理教学仪器领域，具体涉及一种直立旋转自平衡的设计。

背景技术

自动控制理论经历了古典控制理论和现代控制理论两个历史阶段，从最初的只能适用于单输入、单输出的参数不随时间的变化而变化的线性定常系统，到利用现代数学方法和计算机分析可于多输入、多输出时变或非线性系统，其应用范围得到了很大的扩展。如，在生产线中，能够起到及时、准确、高效的控制效果，提高多个生产流程的效益；在导弹控制系统中，能够利用控制理论使导弹在空中变化纵向姿势运动，提高命中率。另外，控制理论还在工业控制、航天、机器人等领域具有广泛应用。

为了验证控制理论，我们设计了一种直立旋转自平衡演示仪，它是一个复杂的、不稳定的、非线性系统。在控制过程中，它能有效地反应非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题等关键问题，加深观察者对理论知识的理解。基于机械控制原理和电子技术设计的直立旋转自平衡演示仪，具有成本低，操作方便，演示现象直观，是实验室演示控制理论的理想模型。

名称为《一种基于旋转倒立摆的自动控制教学辅助装置》(CN 206058740 U)的实用新型专利文献公开了一种基于旋转倒立摆的自动控制教学辅助装置，实现了让学生理解自动控制理论课程中相关控制思想和基本理论概念的功能。但是，该实用新型专利仍存在以下缺陷和不足。演示仪的模块化结构不明显；使用的是TI公司的MSP430F5529系列单片机，性能弱，设备稳定性较差，不利于学生观察；只能实现旋转倒立，演示功能单一。

实用新型内容

本实用新型提供了一种直立旋转自平衡演示仪。实现了自平衡功能，在受到外力干扰的情况下能够实现自修复，解决了稳定性差的控制难题；实现了简谐运动、转动惯量、倒立摆等实验现象的演示，解决了教学演示现象单一的问题。

本实用新型采用的技术方案是，一种基于直立旋转自平衡的演示装置，包括演示仪框架，核心主板、电机驱动板、电机支架、JGB37-520电机、AB相增量式霍耳编码器、导电环、电机臂、霍耳角度传感器、长方形摆杆。其中核心主板与电源模块、按键模块、屏幕显示模块相接。电机驱动板上连接了L298N电机驱动模块、电源模块。演示模块包括液晶显示屏模块和电机臂。

与现有技术相比，本直立旋转自平衡演示仪具有以下有益技术效果：

1.作品能够演示简谐运动、刚体转动、非惯性系、转动惯量等丰富的物理知识，能够激发学生的求知欲，帮助学生理解自动控制原理。

2.作品的趣味性强，外形小巧，方便课堂展示，适用于科普教育、课堂演示等环境。

3.采用新型霍耳角度传感器，增加角度的分辨率。

4.采用新型导电环设计，延长演示仪使用寿命。

5.核心主板上核心处理器采用意法半导体的STM32F103RCT6系列单片机。

附图说明

图1为本直立旋转自平衡演示仪设计框图示意图；

图2为本直立旋转自平衡演示仪电源模块、角度传感器模块、指示灯模块、电机编码器模块、按键模块、驱动电路模块原理图；