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2026第47屆無錫太湖國際機(jī)床及智能工業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)
2025-04-01
展會(huì)專題
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挑戰(zhàn)
石川淳先生對(duì)學(xué)生們提出的考驗(yàn)是：如何解決經(jīng)典的控制理論難題 — 倒立擺。
學(xué)生們需要設(shè)計(jì)并集成一個(gè)高效的三件式解決方案，包括傾斜角度傳感、控制邏輯和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。
對(duì)于為此控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的PCB(印刷電路板)，尺寸小且重量輕是集成到車把內(nèi)的決定性要素。他們對(duì)PCB的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，以確保在最小的封裝尺寸內(nèi)集成所有必需的功能。
解決方案
將PCB控制板安裝在車把內(nèi)，位于擺錘的頂部，承載所有必需的電子電路。
輪式平臺(tái)的底部有兩條軸：連接車輪的水平軸和由緊湊型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的垂直軸。兩條軸的交叉處裝有一個(gè)簡單的錐齒輪傳動(dòng)裝置，電機(jī)通過此傳動(dòng)裝置可朝任意方向驅(qū)動(dòng)車輪。
系統(tǒng)必須將方向保持在近乎垂直的極小角度范圍內(nèi)，才能進(jìn)行有效控制。如果小車朝任一方向傾斜超過30 °，則可能會(huì)失去穩(wěn)定性。為保持平衡，必須以經(jīng)過精密計(jì)算的加速度和速度連續(xù)驅(qū)動(dòng)車輪。
在電機(jī)軸上
耦合編碼器
為達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)控制性能，學(xué)生們需要一個(gè)高分辨率位置編碼器來監(jiān)控和調(diào)節(jié)電機(jī)輸出。而且，這個(gè)編碼器還必須小巧輕便，能夠容納在小車?yán)w薄的垂直結(jié)構(gòu)中。
經(jīng)過深思熟慮，他們最終選擇了雷尼紹關(guān)聯(lián)公司RLS的RM08磁旋轉(zhuǎn)編碼器。這款非接觸式、無摩擦磁旋轉(zhuǎn)編碼器僅重2 g(包括電纜)，具有鋁制傳感器外罩，直徑為8 mm，厚度僅為3 mm。
學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)細(xì)窄的尼龍襯圈，作為電機(jī)軸與RM08編碼器的磁勵(lì)體之間的機(jī)械連接，而這個(gè)設(shè)計(jì)只增加了不到0.5 g的重量。
RM08編碼器產(chǎn)生12位分辨率輸出(每轉(zhuǎn)4,096步)，可用于運(yùn)行速度高達(dá)30,000 rpm的應(yīng)用，精度達(dá)到±0.3 °。
結(jié)果
東京電機(jī)大學(xué)的學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)出一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制方案，使用RM08高速磁旋轉(zhuǎn)編碼器以12位分辨率測(cè)量角度旋轉(zhuǎn)，令兩輪機(jī)器人小車保持自平衡和直立。
RM08編碼器的防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68，專用于集成到各種大批量OEM應(yīng)用中，性能非常可靠。
還有一點(diǎn)也很重要，磁旋轉(zhuǎn)編碼器還解決了這輛小車苛刻的物理設(shè)計(jì)限制。它的外形極為緊湊且輕巧，幫助學(xué)生們同時(shí)克服了空間和負(fù)載限制。
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