三軸慣性陀螺測試轉臺控制系統(tǒng)的研制

　　摘要：介紹了三軸慣性陀螺測試轉臺的工作方式及其控制系統(tǒng)的功能，研究了以８０５１單片機為系統(tǒng)控制核心的轉臺控制器的硬件及軟件設計問題，提出了采用８０５１單片機及Ｉｎｔｅｌ８２５４定時／計數(shù)器對步進電機進行開環(huán)位置及速度控制的解決方案。
　　關鍵詞：陀螺測試轉臺單片機步進電機運動控制
　　
　　導航系統(tǒng)是飛行器的重要組成部分。慣性陀螺儀表普遍應用于各種類型的飛行器的導航系統(tǒng)中，它反映了飛行器的飛行姿態(tài)以及其它重要導航信息，保證了人為或自動駕駛儀對飛行器進行控制的安全性與準確性。為了確保慣性陀螺儀表工作的可靠性，需要對儀表進行定期的校驗，用測試轉臺測試陀螺儀表是比較常用的方法。某機場所使用的測試轉臺大部分存在老化嚴重以及功能單一的問題，尤其是部分轉臺還是老式的手動轉臺，很難保證校準精度，所以需要研制新型數(shù)字化的低成本的高精度陀螺測試轉臺及其控制系統(tǒng)。
　　
　�。蓖勇轀y試轉臺及其控制系統(tǒng)介紹
　　
　　陀螺測試轉臺主要由高精度轉臺及其控制系統(tǒng)組成。三軸轉臺由ψ軸轉臺、θ軸轉臺、φ軸轉臺三個子系統(tǒng)組成，分別實現(xiàn)三個軸的轉動。各子系統(tǒng)由臺體、驅動系統(tǒng)、轉動系統(tǒng)以及執(zhí)行機構組成。選用步進電機作為各子系統(tǒng)驅動裝置，經(jīng)蝸輪蝸桿及齒輪減速后輸出旋轉運動。轉臺的三個子系統(tǒng)中，θ軸轉臺固定在ψ軸轉臺的轉盤上，φ軸轉臺固定在θ軸轉臺的轉盤上。將被測試陀螺儀表固定于φ軸轉臺的轉盤上，按測試要求控制轉臺各軸進行旋轉，模擬飛機飛行中的各種姿態(tài)，陀螺儀表則輸出相應的姿態(tài)信息，比較轉臺的姿態(tài)與儀表的輸出即可校對儀表偏差。
　　
　　各子系統(tǒng)的運轉由其控制器控制�？刂破鞯闹饕�功能是接收操作人員的控制指令，對控制面板輸入的控制參數(shù)進行計算或轉換，變?yōu)椴竭M電機的運轉控制信號，輸出到測試轉臺；轉臺在控制器的控制下可工作在速度、轉角、自動等模式；轉臺控制器能夠與上位計算機進行串行通訊，并執(zhí)行上位計算機的控制指令。轉臺與控制器之間通過航空插頭連接起來，其傳輸?shù)男盘柊�括步進電機的驅動信號和慣性陀螺儀的反饋信號。
　　
　�。厕D臺控制系統(tǒng)的硬件設計
　　
　　轉臺控制系統(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、步進電機驅動器和機箱、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)，通過字符發(fā)生器不僅可以調(diào)用固化的１６０種點陣字符，還可以擴展其它需要的字符。步進電機驅動器采用ＲＯＲＺＥ公司的ＲＤ－０２３ＭＳ兩相步進電機驅動器。
　　
　　２．１控制面板的管理
　　
　　面板控制模塊選用四片８２５５通用擴展并口作為單片機與各子系統(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。ＡＴ８９Ｃ５２單片機的串口通過１４８８－１４８９ＲＳ２３２電平轉換電路與上位計算機的串口連接。
　　
　�。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兩片８２５５完成運轉參數(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)標志位，當Ｑ１為“１”時表示面板模塊所要傳送的數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，為“０”時表示數(shù)據(jù)已被軸控模塊接收或數(shù)據(jù)未到達狀態(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步進電機脈沖產(chǎn)生及控制電路
　　
　　系統(tǒng)采用８２５４定時／計數(shù)器產(chǎn)生控制步進電機運轉的方波脈沖，并對輸出脈沖進行計數(shù)。將８２５４的計數(shù)器０設定在方波發(fā)生器工作方式，計數(shù)器２設定在計數(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／計數(shù)器２產(chǎn)生的方波脈沖送入８２５４計數(shù)器０進行分頻并輸出控制脈沖。計數(shù)器２對輸出的脈沖進行計數(shù)。當脈沖數(shù)與計數(shù)器２的計數(shù)值相等時?計數(shù)器２的輸出端產(chǎn)生電平變化，并被ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ１．１口監(jiān)測查詢。當ＡＴ８９Ｃ５２的晶體振蕩頻率為２４ＭＨｚ時，通過調(diào)節(jié)其ＲＣＡＰ２Ｈ和ＲＣＡＰ２Ｌ的值可使其定時／計數(shù)器２產(chǎn)生９２Ｈｚ～６ＭＨｚ的方波脈沖。通過對８２５４計數(shù)器０的數(shù)據(jù)寄存器寫入分頻值Ｎ，使其輸出相應頻率的方波脈沖?來控制步進電機的轉速，計數(shù)器２通過記錄計數(shù)器１輸出的脈沖數(shù)量來控制電機的轉角。步進電機的輸出轉速由下式?jīng)Q定：
　　
　　ω＝Δ·fo/N(度／秒)??(１)?
　　
　　步距角Δ＝[360/(200·i·m)]（度／脈沖）?(２)?
　　
　　式中，步進電機旋轉一周的步數(shù)為２００；
　　
　�。闉檗D臺傳動機構減速比；
　　
　�。頌椴竭M電機驅動器細分數(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計數(shù)器０的值。
　　
　　表1各軸分頻值N的設定
　　
　　轉軸轉速范圍/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計數(shù)器０的分頻值如表１所示。由于對８２５４計數(shù)器寫入的分頻值只能為正整數(shù)，而通過計算得出的分頻值Ｎ不一定為正整數(shù)，因此要對輸入８２５４計數(shù)器０的分頻值進行四舍五入。產(chǎn)生的驅動脈沖頻率大小具有舍入誤差，其大小不超過：
　　
　　±(1/2)/N×１００％?(３)?
　　
　　三軸的最小分頻值Ｎ＝９０（θ軸），轉速最大誤差為０．５６％。
　　
　�。侈D臺控制系統(tǒng)的軟件設計
　　
　�。常�１面板模塊軟件的設計
　　
　　面板模塊程序流程圖如圖４所示。上電開始后，軟件首先對ＡＴ８９Ｃ５２的內(nèi)部寄存器、液晶顯示屏以及８２５５并口進行初始化。程序用一個字節(jié)作為系統(tǒng)工作狀態(tài)寄存器，寄存器中各標志位分別記錄串口以及面板的鎖定及解鎖情況以及各運轉軸的當前運轉方向和高低速狀態(tài)。液晶顯示初始化設定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，軟件將同時檢測面板各按鍵信號并等待串口的中斷信號，當檢測到一種信號后，將另一種信號屏蔽。在“ψ軸（或θ軸、φ軸）”鍵按下后，系統(tǒng)鎖定在面板工作方式，并關閉串口中斷。進入面板工作方式后，軟件按流程執(zhí)行轉軸選擇、模式設定、參數(shù)設定、運轉執(zhí)行等功能�？刂泼姘灏存I包括ψ、θ、φ軸選擇鍵，運轉模式選擇鍵，數(shù)字鍵，確定、停止鍵以及手動控制鍵。讀取控制面板按鍵信號后，將選取的運轉軸、運轉模式以及設定的速度角度等參數(shù)記錄于指定的寄存器中。待軟件檢測到“運行”鍵按下后，將數(shù)據(jù)送入與相應軸通訊的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算機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，上位計算機指令和控制器返回信息都以“＄”字符開頭。面板模塊檢測到串口接收到字符“＄”時，則認為上位計算機開始發(fā)送信息，信息以回車符結束�！啊纭焙竺媸寝D軸標識符，用“Ｘ”或“Ｙ”或“Ｚ”表示，分別對應ψ、θ、φ三個轉軸。轉軸標識符后依次為速度、轉角、時間的ＡＳＣＩＩ碼表示值。程序將接收到的上位控制指令中的ＡＳＣＩＩ碼參數(shù)值轉換為軸控模塊可識別的十六進制參數(shù)值，并發(fā)送到相應的軸控模塊。
　　
　�。常�２軸控模塊軟件的設計
　　
　　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各計數(shù)器的工作方式。軟件通過查詢８２５５的Ｃ０口，檢測是否得到了由面板模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)。軸控模塊接收到面板模塊發(fā)來的指令后，將速度、角度數(shù)據(jù)經(jīng)計算轉換成為８２５４計數(shù)器０的分頻值Ｎ和計數(shù)器２所需要記錄的脈沖數(shù)。參數(shù)轉換完成后，程序根據(jù)設定指令進入相應運轉模式。
　　
　　當各轉軸轉速達到或超過１°／ｓ時，為了使步進電機在有外加負載及高速運轉下不丟步，確保在高速啟動或停止時保持穩(wěn)定，程序對步進電機的高速啟動和停止進行了加減速控制。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)，設定ω１＝１°／ｓ為加速過程的初始速度和減速過程的最終速度，并設定加減速過程中每隔１０ｍｓ速度差值△ω＝１°／ｓ，所以有：
　　
　　Ｎ１＝(Δ·f0)/ω1
　　
　�。危玻�(Δ·f0)/ω2＝(Δ·f0)/2ω1＝N1/2
　　
　　…………………………
　　
　　Ｎｉ＝(Δ·f1)/ωi＝(Δ·f0)/iω1＝N1/i
　　
　　即每經(jīng)過１０ｍｓ延時循環(huán)送給８２５４定時器０的分頻值Ｎｉ就是將ω＝１°／ｓ對應的分頻值Ｎ１除以當前的循環(huán)次數(shù)得到的。程序將每一步加減速送入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。在加速過程中，依次將分頻值Ｎｉ送入８２５４計數(shù)器０中，一直到從數(shù)表中讀入的分頻數(shù)不大于設定速度對應的分頻值Ｎｍａｘ，并將Ｎｍａｘ作為最終分頻值為止。減速過程則與加速過程相反。
　　
　　４性能指標及結論
　　
　　表２列出了控制器控制轉臺運轉的模式及技術指標。經(jīng)過調(diào)試運行，測試轉臺能夠在規(guī)定模式下按要求運轉。轉臺控制器交互性良好，每次輸入指令前液晶屏上都有信息提示相應操作。各軸子系統(tǒng)在高速下經(jīng)加減速后均運轉平穩(wěn)，無丟步現(xiàn)象。同時，能夠利用上位計算機的圖形界面設定運轉指令參數(shù)，并通過串口發(fā)送指令給轉臺控制器，控制轉臺運轉。以５１單片機為控制核心的三軸慣性陀螺測試轉臺及其控制系統(tǒng)的研制，不僅使測試設備成本降低，而且在測試功能、測試指標及測試精度上均滿足了儀表校驗的要求。
　　
　　表2控制器控制功能及指標
　　
　　功能說明指標速度模式控制轉臺各軸按指定的速度和時間段運轉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位置模式控制轉臺軸按指定的速度運轉某一角度各子系統(tǒng)轉角苗：0.01°～999°自動模式設定轉臺各軸運轉的速度和時間，在此時間內(nèi)各軸按指定的速度某一方向運轉；完成后，此軸暫停運轉，間隔2秒鐘后向反方向旋轉，如此反復各軸系統(tǒng)的運轉速度的范圍為速度模式下相應軸的運轉速度范圍手動模式作調(diào)整用，每按一次按鍵，相應輸出軸以0.1°/s的速度旋轉0.1°，持續(xù)按下則1°/s的速度連續(xù)旋轉，直至按鍵釋放單擊按鍵運轉速度：0.1°/s持續(xù)按下按鍵運轉速度：1°/s串行通訊控制器與上位機通過串口相互傳遞信息遵守上位機與控制器的通訊協(xié)議
　　
　　
　　

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