三軸慣性陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的研制

　　摘要：介紹了三軸慣性陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的工作方式及其控制系統(tǒng)的功能，研究了以８０５１單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心的轉(zhuǎn)臺(tái)控制器的硬件及軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了采用８０５１單片機(jī)及Ｉｎｔｅｌ８２５４定時(shí)／計(jì)數(shù)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行開環(huán)位置及速度控制的解決方案。
　　關(guān)鍵詞：陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制
　　
　　導(dǎo)航系統(tǒng)是飛行器的重要組成部分。慣性陀螺儀表普遍應(yīng)用于各種類型的飛行器的導(dǎo)航系統(tǒng)中，它反映了飛行器的飛行姿態(tài)以及其它重要導(dǎo)航信息，保證了人為或自動(dòng)駕駛儀對(duì)飛行器進(jìn)行控制的安全性與準(zhǔn)確性。為了確保慣性陀螺儀表工作的可靠性，需要對(duì)儀表進(jìn)行定期的校驗(yàn)，用測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試陀螺儀表是比較常用的方法。某機(jī)場(chǎng)所使用的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)大部分存在老化嚴(yán)重以及功能單一的問(wèn)題，尤其是部分轉(zhuǎn)臺(tái)還是老式的手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，很難保證校準(zhǔn)精度，所以需要研制新型數(shù)字化的低成本的高精度陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)及其控制系統(tǒng)。
　　
　�。蓖勇轀y(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)及其控制系統(tǒng)介紹
　　
　　陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)主要由高精度轉(zhuǎn)臺(tái)及其控制系統(tǒng)組成。三軸轉(zhuǎn)臺(tái)由ψ軸轉(zhuǎn)臺(tái)、θ軸轉(zhuǎn)臺(tái)、φ軸轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)子系統(tǒng)組成，分別實(shí)現(xiàn)三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。各子系統(tǒng)由臺(tái)體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。選用步進(jìn)電機(jī)作為各子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置，經(jīng)蝸輪蝸桿及齒輪減速后輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)的三個(gè)子系統(tǒng)中，θ軸轉(zhuǎn)臺(tái)固定在ψ軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤上，φ軸轉(zhuǎn)臺(tái)固定在θ軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤上。將被測(cè)試陀螺儀表固定于φ軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤上，按測(cè)試要求控制轉(zhuǎn)臺(tái)各軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，模擬飛機(jī)飛行中的各種姿態(tài)，陀螺儀表則輸出相應(yīng)的姿態(tài)信息，比較轉(zhuǎn)臺(tái)的姿態(tài)與儀表的輸出即可校對(duì)儀表偏差。
　　
　　各子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)由其控制器控制�？刂破鞯闹饕�功能是接收操作人員的控制指令，對(duì)控制面板輸入的控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算或轉(zhuǎn)換，變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制信號(hào)，輸出到測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)；轉(zhuǎn)臺(tái)在控制器的控制下可工作在速度、轉(zhuǎn)角、自動(dòng)等模式；轉(zhuǎn)臺(tái)控制器能夠與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通訊，并執(zhí)行上位計(jì)算機(jī)的控制指令。轉(zhuǎn)臺(tái)與控制器之間通過(guò)航空插頭連接起來(lái)，其傳輸?shù)男盘?hào)包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和慣性陀螺儀的反饋信號(hào)。
　　
　�。厕D(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　
　　轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)主要由面板控制模塊、控制面板及液晶顯示屏、各子系統(tǒng)軸控模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和機(jī)箱、電源等組成，圖１為系統(tǒng)硬件組成示意圖。面板控制模塊和各子系統(tǒng)軸控模塊均采用ＡｔｍｅｌＡＴ８９Ｃ５２單片機(jī)作為控制核心。液晶屏采用ＳＥＩＫＯＥＰＳＯＮ公司生產(chǎn)的ＳＥＤ１３３５液晶顯示屏及其控制電路，其顯示ＲＡＭ具有字符和圖形顯示特區(qū)，通過(guò)字符發(fā)生器不僅可以調(diào)用固化的１６０種點(diǎn)陣字符，還可以擴(kuò)展其它需要的字符。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用ＲＯＲＺＥ公司的ＲＤ－０２３ＭＳ兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
　　
　�。玻�１控制面板的管理
　　
　　面板控制模塊選用四片８２５５通用擴(kuò)展并口作為單片機(jī)與各子系統(tǒng)軸模塊和面板按鍵、指示燈之間的接口。單片機(jī)的Ｐ０口作為數(shù)據(jù)傳輸端口，Ｐ２口作為各８２５５的片選及端口選擇地址。與各子系統(tǒng)軸模塊通訊的三片８２５５的Ａ口和Ｂ口分別作為數(shù)據(jù)的發(fā)送口和接收口，Ｃ口提供握手信號(hào)。ＡＴ８９Ｃ５２單片機(jī)的串口通過(guò)１４８８－１４８９ＲＳ２３２電平轉(zhuǎn)換電路與上位計(jì)算機(jī)的串口連接。
　　
　�。玻�２面板模塊與軸控模塊的通信
　　
　　面板模塊與軸控模塊之間通過(guò)兩片８２５５完成運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)和狀態(tài)信息的傳遞。圖２所示為軸控模塊８２５５與面板模塊８２５５的接口電路示意圖。電路中使用了ＲＳ觸發(fā)器７４ＬＳ７４，通過(guò)發(fā)送、查詢、接收、置位等方式，控制數(shù)據(jù)在兩片８２５５之間傳輸。觸發(fā)器１的輸出信號(hào)Ｑ１作為面板模塊８２５５向軸控模塊８２５５傳送數(shù)據(jù)的狀態(tài)標(biāo)志位，當(dāng)Ｑ１為“１”時(shí)表示面板模塊所要傳送的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，為“０”時(shí)表示數(shù)據(jù)已被軸控模塊接收或數(shù)據(jù)未到達(dá)狀態(tài)。觸發(fā)器１由面板模塊８２５５的Ｃ０和軸控模塊８２５５的Ｃ４共同控制，由面板８２５５的Ｃ４和軸控模塊８２５５的Ｃ０查詢Ｑ１的狀態(tài)。同理，觸發(fā)器２控制由軸控模塊８２５５發(fā)送到面板模塊８２５５的數(shù)據(jù)，Ｑ２的輸出值表示數(shù)據(jù)傳送的狀態(tài)。
　　
　�。玻�３步進(jìn)電機(jī)脈沖產(chǎn)生及控制電路
　　
　　系統(tǒng)采用８２５４定時(shí)／計(jì)數(shù)器產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方波脈沖，并對(duì)輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。將８２５４的計(jì)數(shù)器０設(shè)定在方波發(fā)生器工作方式，計(jì)數(shù)器２設(shè)定在計(jì)數(shù)器方式。圖３為用８２５４分頻產(chǎn)生控制脈沖的原理圖。由ＡＴ８９Ｃ５２內(nèi)部定時(shí)／計(jì)數(shù)器２產(chǎn)生的方波脈沖送入８２５４計(jì)數(shù)器０進(jìn)行分頻并輸出控制脈沖。計(jì)數(shù)器２對(duì)輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)脈沖數(shù)與計(jì)數(shù)器２的計(jì)數(shù)值相等時(shí)?計(jì)數(shù)器２的輸出端產(chǎn)生電平變化，并被ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ１．１口監(jiān)測(cè)查詢。當(dāng)ＡＴ８９Ｃ５２的晶體振蕩頻率為２４ＭＨｚ時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)其ＲＣＡＰ２Ｈ和ＲＣＡＰ２Ｌ的值可使其定時(shí)／計(jì)數(shù)器２產(chǎn)生９２Ｈｚ～６ＭＨｚ的方波脈沖。通過(guò)對(duì)８２５４計(jì)數(shù)器０的數(shù)據(jù)寄存器寫入分頻值Ｎ，使其輸出相應(yīng)頻率的方波脈沖?來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)數(shù)器２通過(guò)記錄計(jì)數(shù)器１輸出的脈沖數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角。步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定：
　　
　　ω＝Δ·fo/N(度／秒)??(１)?
　　
　　步距角Δ＝[360/(200·i·m)]（度／脈沖）?(２)?
　　
　　式中，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的步數(shù)為２００；
　　
　�。闉檗D(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速比；
　　
　　ｍ為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)；
　　
　�。妫盀檩斎耄福玻担吹拿}沖源頻率；
　　
　�。螢榉诸l數(shù)，即寫入８２５４計(jì)數(shù)器０的值。
　　
　　表1各軸分頻值N的設(shè)定
　　
　　轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速范圍/simΔ(度/脈沖)分頻數(shù)N高速（fo=6MHz）低速(=10kHz)軸0.01～5020500.0018216～63529112～1800軸0.05～5480500.00007590～9000--軸0.05～5280500.00012857154～15428--
　　各子系統(tǒng)寫入８２５４計(jì)數(shù)器０的分頻值如表１所示。由于對(duì)８２５４計(jì)數(shù)器寫入的分頻值只能為正整數(shù)，而通過(guò)計(jì)算得出的分頻值Ｎ不一定為正整數(shù)，因此要對(duì)輸入８２５４計(jì)數(shù)器０的分頻值進(jìn)行四舍五入。產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率大小具有舍入誤差，其大小不超過(guò)：
　　
　　±(1/2)/N×１００％?(３)?
　　
　　三軸的最小分頻值Ｎ＝９０（θ軸），轉(zhuǎn)速最大誤差為０．５６％。
　　
　　３轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　　
　�。常�１面板模塊軟件的設(shè)計(jì)
　　
　　面板模塊程序流程圖如圖４所示。上電開始后，軟件首先對(duì)ＡＴ８９Ｃ５２的內(nèi)部寄存器、液晶顯示屏以及８２５５并口進(jìn)行初始化。程序用一個(gè)字節(jié)作為系統(tǒng)工作狀態(tài)寄存器，寄存器中各標(biāo)志位分別記錄串口以及面板的鎖定及解鎖情況以及各運(yùn)轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)方向和高低速狀態(tài)。液晶顯示初始化設(shè)定ＬＣＤ的顯示邊界及范圍，以及清空液晶顯示模塊顯存。串行通訊的波特率定為９６００ｂｉｔ／ｓ。
　　
　　面板初始化完成后，軟件將同時(shí)檢測(cè)面板各按鍵信號(hào)并等待串口的中斷信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到一種信號(hào)后，將另一種信號(hào)屏蔽。在“ψ軸（或θ軸、φ軸）”鍵按下后，系統(tǒng)鎖定在面板工作方式，并關(guān)閉串口中斷。進(jìn)入面板工作方式后，軟件按流程執(zhí)行轉(zhuǎn)軸選擇、模式設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)轉(zhuǎn)執(zhí)行等功能。控制面板按鍵包括ψ、θ、φ軸選擇鍵，運(yùn)轉(zhuǎn)模式選擇鍵，數(shù)字鍵，確定、停止鍵以及手動(dòng)控制鍵。讀取控制面板按鍵信號(hào)后，將選取的運(yùn)轉(zhuǎn)軸、運(yùn)轉(zhuǎn)模式以及設(shè)定的速度角度等參數(shù)記錄于指定的寄存器中。待軟件檢測(cè)到“運(yùn)行”鍵按下后，將數(shù)據(jù)送入與相應(yīng)軸通訊的８２５５寄存器中，并將該８２５５的Ｃ０位置高，通知軸控模塊讀取。
　　
　　面板控制模塊與上位計(jì)算機(jī)之間制定了串行通訊協(xié)議。串行通訊指令采用ＡＳＣＩＩ碼的形式，上位計(jì)算機(jī)指令和控制器返回信息都以“＄”字符開頭。面板模塊檢測(cè)到串口接收到字符“＄”時(shí)，則認(rèn)為上位計(jì)算機(jī)開始發(fā)送信息，信息以回車符結(jié)束。“＄”后面是轉(zhuǎn)軸標(biāo)識(shí)符，用“Ｘ”或“Ｙ”或“Ｚ”表示，分別對(duì)應(yīng)ψ、θ、φ三個(gè)轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸標(biāo)識(shí)符后依次為速度、轉(zhuǎn)角、時(shí)間的ＡＳＣＩＩ碼表示值。程序?qū)⒔邮盏降纳衔豢刂浦噶钪械模粒樱茫桑纱a參數(shù)值轉(zhuǎn)換為軸控模塊可識(shí)別的十六進(jìn)制參數(shù)值，并發(fā)送到相應(yīng)的軸控模塊。
　　
　�。常�２軸控模塊軟件的設(shè)計(jì)
　　
　　子系統(tǒng)軸控模塊程序流程圖如圖５所示。程序開始后先初始化８２５５各Ｉ／Ｏ口和８２５４各計(jì)數(shù)器的工作方式。軟件通過(guò)查詢８２５５的Ｃ０口，檢測(cè)是否得到了由面板模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。軸控模塊接收到面板模塊發(fā)來(lái)的指令后，將速度、角度數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換成為８２５４計(jì)數(shù)器０的分頻值Ｎ和計(jì)數(shù)器２所需要記錄的脈沖數(shù)。參數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，程序根據(jù)設(shè)定指令進(jìn)入相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式。
　　
　　當(dāng)各轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過(guò)１°／ｓ時(shí)，為了使步進(jìn)電機(jī)在有外加負(fù)載及高速運(yùn)轉(zhuǎn)下不丟步，確保在高速啟動(dòng)或停止時(shí)保持穩(wěn)定，程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的高速啟動(dòng)和停止進(jìn)行了加減速控制。程序采用勻加減速方法。由式(１)可知，分頻值Ｎ是角速度ω的反比例函數(shù)，設(shè)定ω１＝１°／ｓ為加速過(guò)程的初始速度和減速過(guò)程的最終速度，并設(shè)定加減速過(guò)程中每隔１０ｍｓ速度差值△ω＝１°／ｓ，所以有：
　　
　�。危保�(Δ·f0)/ω1
　　
　　Ｎ２＝(Δ·f0)/ω2＝(Δ·f0)/2ω1＝N1/2
　　
　　…………………………
　　
　�。危椋�(Δ·f1)/ωi＝(Δ·f0)/iω1＝N1/i
　　
　　即每經(jīng)過(guò)１０ｍｓ延時(shí)循環(huán)送給８２５４定時(shí)器０的分頻值Ｎｉ就是將ω＝１°／ｓ對(duì)應(yīng)的分頻值Ｎ１除以當(dāng)前的循環(huán)次數(shù)得到的。程序?qū)⒚恳徊郊訙p速送入８２５４的Ｎｉ值保存到起始地址為２０００Ｈ的內(nèi)存單元中，制成分頻值Ｎｉ的數(shù)表。在加速過(guò)程中，依次將分頻值Ｎｉ送入８２５４計(jì)數(shù)器０中，一直到從數(shù)表中讀入的分頻數(shù)不大于設(shè)定速度對(duì)應(yīng)的分頻值Ｎｍａｘ，并將Ｎｍａｘ作為最終分頻值為止。減速過(guò)程則與加速過(guò)程相反。
　　
　　４性能指標(biāo)及結(jié)論
　　
　　表２列出了控制器控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的模式及技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)調(diào)試運(yùn)行，測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)能夠在規(guī)定模式下按要求運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)控制器交互性良好，每次輸入指令前液晶屏上都有信息提示相應(yīng)操作。各軸子系統(tǒng)在高速下經(jīng)加減速后均運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)丟步現(xiàn)象。同時(shí)，能夠利用上位計(jì)算機(jī)的圖形界面設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)指令參數(shù)，并通過(guò)串口發(fā)送指令給轉(zhuǎn)臺(tái)控制器，控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)。以５１單片機(jī)為控制核心的三軸慣性陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)及其控制系統(tǒng)的研制，不僅使測(cè)試設(shè)備成本降低，而且在測(cè)試功能、測(cè)試指標(biāo)及測(cè)試精度上均滿足了儀表校驗(yàn)的要求。
　　
　　表2控制器控制功能及指標(biāo)
　　
　　功能說(shuō)明指標(biāo)速度模式控制轉(zhuǎn)臺(tái)各軸按指定的速度和時(shí)間段運(yùn)轉(zhuǎn)ψ軸子系統(tǒng)：0.01°/s～50°/s
　　θ軸子系統(tǒng)：0.01°/s～5°/s
　　φ軸子系統(tǒng)：0.01°/s～5°/s位置模式控制轉(zhuǎn)臺(tái)軸按指定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)某一角度各子系統(tǒng)轉(zhuǎn)角苗：0.01°～999°自動(dòng)模式設(shè)定轉(zhuǎn)臺(tái)各軸運(yùn)轉(zhuǎn)的速度和時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)各軸按指定的速度某一方向運(yùn)轉(zhuǎn)；完成后，此軸暫停運(yùn)轉(zhuǎn)，間隔2秒鐘后向反方向旋轉(zhuǎn)，如此反復(fù)各軸系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度的范圍為速度模式下相應(yīng)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍手動(dòng)模式作調(diào)整用，每按一次按鍵，相應(yīng)輸出軸以0.1°/s的速度旋轉(zhuǎn)0.1°，持續(xù)按下則1°/s的速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至按鍵釋放單擊按鍵運(yùn)轉(zhuǎn)速度：0.1°/s持續(xù)按下按鍵運(yùn)轉(zhuǎn)速度：1°/s串行通訊控制器與上位機(jī)通過(guò)串口相互傳遞信息遵守上位機(jī)與控制器的通訊協(xié)議
　　
　　
　　

【三軸慣性陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的研制】相關(guān)文章：

平行縫焊機(jī)控制系統(tǒng)的研制08-06

慣性、慣性現(xiàn)象08-17

慣性系和非慣性系08-17

論慣性08-05

慣性 （人教版）08-17

“慣性”教學(xué)的三點(diǎn)體會(huì)08-17

慣性思維作文05-12

教案示例·慣性現(xiàn)象08-17

第三章第八節(jié)慣性系和非慣性系 教案08-17