间隙运动机构特点： (1)皮带传动： 1) 平皮带传动：
a) 结构简单，可以传动的中心距较大，传动中不产生震动 b) 滑动系数大，传递功率较小 2) 三角皮带传动：
a) 滑动系数比平皮带传动小，传递功率大(多根皮带组合使用)，传动中不产生震动 b) 摩擦较大，皮带轮加工比平皮带轮困难
三角皮带传动时，由于皮带截面上各点的直径不同(D, d1, d2)，因此各点的回转速度不同，而皮带本身是一个整体，由此皮带上部和下部相对皮带轮的槽作相反方向的滑移，产生较大摩擦，也易因摩擦产生热。
由于三角皮带的周长是标准固定的，对于非标中心距的皮带传动不能采用标准的三角皮带，这时可以选用“活络三角皮带”，该类皮带与标准皮带具有相同的截面，但它是由小块连接件用螺钉紧固的，因此在使用中可以按所需的长度任意增加或减少连接件。这类皮带传动的功率要比同类规格的标准三角皮带小。 (2)链传动：
1) 能保证准确的平均速比
2) 可以作中心距较大的两轮轴间传递动力和运动 3) 链条较容易磨损，磨损后的链条节距加大，链条易脱落 4) 链条传动的速度较低，运行时有噪声 (3)齿轮传动：
1）传动的运动速度比套筒链快，运行时的噪声比套筒链的低，是高速链传动的形式。 2）对链轮材料和热处理的要求较高，因为齿形链对链轮圆周面的压力和摩擦较大，易引起磨损。 (4)蜗杆传动：
1) 由于蜗杆相当于一个螺杆，当蜗杆的导程角小于摩擦角时，蜗杆传动带有自锁性，这时涡轮副只能由蜗杆驱动涡轮，不能由涡轮驱动蜗杆。
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2) 蜗轮副传动的结构紧凑，涡轮箱的外形尺寸较小。 3) 蜗轮副传动平稳，无噪声
4) 蜗轮副传动是滑动摩擦，在传动中摩擦损害较大，因此传动效率较低。采用自锁蜗杆传动时，效率约为50%。
5) 由于蜗杆传动时，蜗杆和蜗轮轮齿间的运动速度较大，摩擦也大，为了提高蜗轮副传动的寿命，一般蜗杆采用钢材制造，而蜗轮采用耐磨的材料如青铜等制造。 (5)螺纹(丝杆)传动：
能将较小的回转力矩转变为较大的轴向力。能达到较高的传动精度，通过回转的角度能转化为较为精确的直线运动距离。
1)螺纹传动的工作平稳，易于自锁。 2)结构简单，制造方便。
3)缺点是摩擦损失较大，传动效率较低。 2.7传感器检测及其接口电路设计 2.7.1传感器
倒立摆系统上安装了2个增量式编码器作为位置传感器，其中用来测量小车位置的编码器脉冲数为2000P/r，用来测量摆杆位置的编码器脉冲数为SOOP/r。这2个编码器均输出TTL电平信号，分为A, B两种信号。其中A, B两组信号相差为90度相位，A超前B表示正转，B超前A表示反转。 2.7.2传感器接口技术
运动控制器采用增量式编码器作为输入反馈，每轴提供增量式编码器A, B和C三组差动信号输入接口。本系统选用欧姆龙E6A2-CWZSC光电增量式编码器如图所示，有A, B相信号，这两个信号彼此相差为900；正向运动时，A相超前B相900，负向运动时，B相超前A相900。控制器通过检测A, B信号产生的4个900相位差的跃变进行四倍频，使编码器的分辨率提高4倍。编码器每转一圈产生一个C脉冲。编码器差动输入信号的电压范围:VL<0.8V} VH>2.OV;最高频率为1MHZ。接线图如下。
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图2-11 编码器单端输入信号连接图
2.7.3传感器非线性补偿原理
传感器的非线性是指传感器测量值与真实值间不成线性比例关系，非线性误差是传感器中存在的一个主要误差源，误差原因主要来自电涡流自身和外界环境参数两方面影响。这部分误差一般可以用软件方法进行补偿，传感器生产厂商一般通过传感器的电路部分己经对非线性误差进行了一定精度的补偿。传感器的一般补偿原理如图所示。假定传感器的输入为x，输出为X, X=f(x)为非线性函数。现在在电涡流传感器后端串联一个补偿环节，使得补偿后的结果为y=g(X)=Kx，即补偿后的结果与真实值成线性比例关系，具体的比例系数K则由选取的补偿函数确定，如此就实现了传感器的非线性补偿。从上述补偿原理可以看出，函数g为函数f的反函数的K倍线性关系，因此，f的复杂程度决定着g的复杂程度。通过之前的分析可知，传感器的非线性因素来自各个方面，非线性程度较复杂，且无法事先获得传感器输入与输出关系的表达式，不便于采用直接函数运算法。
图2-12电涡流传感器非线性补偿原理
2.7.4数字滤波
除了传感器自身的噪声会引入到传感器信号中，另一个重要噪声源工频信号的干扰也不能忽略。工频干扰信号一般为50Hz或者60Hz及其谐波成分，工频干扰一般是受电磁场干扰产生的。这部分干扰对信号精度的影响不容忽视，特别是在信号幅度很低的情况下，信号的信噪比变得很小，使得信号完全淹没在工频噪声里。因此，必须在高精度的传感器数据采集系统中消除工频干扰。
工频信号虽然频率固定，但是由于其频率和很多有用信号的频带相重叠，如果滤波器滤除的频带过多，会对有用信号成分造成破坏。目前，常见的工频干扰信号消除方法主要有以下几种：
(1)陷波滤波方法;(2)自适应滤波方法;(3)工频干扰回归相减消除法。还有人提出用盲源分离方法来消除工频干扰
陷波滤波方法因其数字和模拟实现都比较简单，故而比较常用。陷波滤波器的原理很简单，可以用一个改进的带阻滤波器来实现。
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2.8控制电动机选择及其计算 2.8.1硬件设计
倒立摆系统采用日本欧姆龙公司生产的SMARTSTEP A系列交流伺服电机。交流伺服电机具有结构简单、运行可靠的优点，在工业自动化中，越来越多的作为机械装置精密控制的执行部件。系统采用的R7M-A10030型交流伺服电机是一款小惯量、额定输出100W、驱动电压200V、带有增量式旋转编码器、无键槽、无制动器、有油封的交流伺服电机。倒立摆系统使用与电机配套的R7D-AP01H型交流伺服电机驱动器。此驱动器的特点有: (1)速度频率响应达到SOOHz:定位超调整定时间缩短。
(2)具有共振抑制和控制功能:可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位。 (3)具有一系列方便使用的功能:
①内含频率解析机能，从而可检测出机械的共振点，便于系统调整。 ②有两种自动增益调整方式:常规自动增益调整和实时自动增益调整。 ③配有RS485 } RS232通信口，上位控制器可同时控制多达16个轴。 (4)电机防护等级达IP65，环境适应性强。 2.8.2软件设计
由于ADAMS提供了SolidWorks和MATLAB/Simulink操作简单的接口，接口问题较为容易。以下叙述虚拟样机软件ADAMDS，三维造型软件SoIidWorks及控制仿真软件MATLAB/Simulink对倒立摆系统进行联合仿真 2.9控制器及其接口设计 2.9.1硬件设计
运动控制模块主要从开发的难易程度以及是否能适应以后的实验要求来考虑方案的选择，另外必须考虑运动控制器如何与计算机通信、以及如何将读入的位置信号进行差分处理获得速度信号。而基于DSP有两种运动控制器方案可供选择:直接从底层开发和直接使用运动控制器进行开发。
(1)直接从底层开发DSP
直接从底层对DSP进行开发可以充分的发挥DSP的性能，针对倒立摆系统控制进行设计，但是必须做所有的底层工作，因此开发周期必然会很长，并且不能保证适用于基本的
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教学实验。因为倒立摆系统的控制需要作PID校正，所以可以选用浮点型数字信号处理器TMS320C32进行开发，它与外围电路的信号主要通过总线来操作，PID校正时，芯片内部也提供了一些算法指令。TI还提供了其他的定点和浮点系列DSP芯片。AD公司也为电机控制专门制作了一些DSP芯片，比如:ADMC300。采用25MIPS定点DSP核心，可以应用于直流无刷电机、交流感应电机、永磁同步电机。提供5路16位sigma-De1taADC，可变成采样频率最高可达到32.SKHz，有两个ADC中断，以及三相PWM输出(16位)。每路ADC和PWM漂移可调。另外Motorola公司也开发了一些DSP芯片。比如Motorola56000系列DSP，是20M定点DSP芯片。使用DSP从底层开发的困难在于开发周期长、工作任务多，需自行设计PID数字校正算法、接口电路等。
(2)使用运动控制器进行开发
运动控制器可以同步控制多个运动轴，实现多轴协调运动。其核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成，可以实现高性能的控制计算。它适用于广泛的应用领域，包括机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配生产线、电子加工设备、激光加工设备等。
所选运动控制器以IBM-PC及其兼容机为主机，提供标准的PCI总线与计算机通信。作为选件，在任何一款产品上可以提供RS232串行通讯和PC104通讯接口，方便用户配置系统。运动控制器提供C语言函数库和Windows动态连接库，实现复杂的控制功能。用户能够将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起，建造符合特定应用要求的控制系统，以适应各种应用领域的要求。使用运动控制器要求使用者具有C语言或Windows下使用动态连接库的编程经验。运动控制器可以与各种类型的主机、放大器、电机和传感器连接起来组成一个伺服系统，使用户不必从底层DSP进行一步一步的开发，而只是基于运动控制器的现有件进行二次开发。运动控制器利用总线方式与外部进行数据交换，也提供串、并口与外部进行通讯。
选用该方案的优点:
①采用以DSP为核心元件的运动控制器可以有效的提高控制精度，提高模块化程度，缩短开发周期。
②必要时可以脱离上位机控制。控制模块可以独立，利用运动控制器的人机接口 进行控制操作。
(3)限位开关接口设计
运动控制器提供8路光电隔离的限位开关输入信号接口，每个轴有两个限位开关。在运动控制过程中，如果设定了限位开关检测命令，一旦某一方向的限位开关被压下，该电机轴就立即停.止，等待上级计算机输入控制命令。这时，运动控制器只可以让电机向离开限位开关的方向运动。限位开关输入信号接口允许输入最大电流为10毫安，电压为24
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