陀螺測試轉(zhuǎn)臺控制

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1、陀螺測試轉(zhuǎn)臺控制 摘要：介紹了三軸慣性陀螺測試轉(zhuǎn)臺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)臺控制器的硬件及軟件設(shè)計問題，提出了采用８０５１單片機(jī)及Ｉｎｔｅｌ８２５４定時／計數(shù)器對步進(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：陀螺測試轉(zhuǎn)臺單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制 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，保證了人為或自動駕駛儀對飛行器進(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，需要對儀表進(jìn)行定期的校驗，用測試轉(zhuǎn)臺測試陀螺儀表是比較常用的方法。某機(jī)場所使用

2、的測試轉(zhuǎn)臺大部分存在老化嚴(yán)重以及功能單一的問題，尤其是部分轉(zhuǎn)臺還是老式的手動轉(zhuǎn)臺，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試轉(zhuǎn)臺及其控制系統(tǒng)。 １陀螺測試轉(zhuǎn)臺及其控制系統(tǒng)介紹 陀螺測試轉(zhuǎn)臺主要由高精度轉(zhuǎn)臺及其控制系統(tǒng)組成。三軸轉(zhuǎn)臺由ψ軸轉(zhuǎn)臺、θ軸轉(zhuǎn)臺、φ軸轉(zhuǎn)臺三個子系統(tǒng)組成，分別實現(xiàn)三個軸的轉(zhuǎn)動。各子系統(tǒng)由臺體、驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動系統(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)動裝置，經(jīng)蝸輪蝸桿及齒輪減速后輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。轉(zhuǎn)臺的三個子系統(tǒng)中，θ軸轉(zhuǎn)臺固定在ψ軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)盤上，φ軸轉(zhuǎn)臺固定在θ軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)盤上。將被測試陀螺儀表固定于φ軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)盤上，按測試要求控制轉(zhuǎn)臺各軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)

3、，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(yùn)轉(zhuǎn)由其控制器控制?？刂破鞯闹饕δ苁墙邮詹僮魅藛T的控制指令，對控制面板輸入的控制參數(shù)進(jìn)行計算或轉(zhuǎn)換，變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制信號，輸出到測試轉(zhuǎn)臺；轉(zhuǎn)臺在控制器的控制下可工作在速度、轉(zhuǎn)角、自動等模式；轉(zhuǎn)臺控制器能夠與上位計算機(jī)進(jìn)行串行通訊，并執(zhí)行上位計算機(jī)的控制指令。轉(zhuǎn)臺與控制器之間通過航空插頭連接起來，其傳輸?shù)男盘柊ú竭M(jìn)電機(jī)的驅(qū)動信號和慣性陀螺儀的反饋信號。 ２轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和機(jī)

4、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(kuò)展其它需要的字符。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用ＲＯＲＺＥ公司的ＲＤ－０２３ＭＳ兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(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

5、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(jī)的串口通過１４８８－１４８９ＲＳ２３２電平轉(zhuǎn)換電路與上位計算機(jī)的串口連接。 ２．２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(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(biāo)志位，當(dāng)Ｑ１為“１”時表示面板模塊所要傳送的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，為“０”時表示數(shù)據(jù)已被軸控

6、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)。 ２．３步進(jìn)電機(jī)脈沖產(chǎn)生及控制電路 系統(tǒng)采用８２５４定時／計數(shù)器產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方波脈沖，并對輸出脈沖進(jìn)行計數(shù)。將８２５４的計數(shù)器０設(shè)定在方波發(fā)生器工作方式，計數(shù)器２設(shè)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(jìn)行分頻并輸出控制脈沖。計數(shù)器２對輸出的脈沖進(jìn)

7、行計數(shù)。當(dāng)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(dāng)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(yīng)頻率的方波脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)角。步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定： ω＝Δfo/N(度／秒)(１) 步距角Δ＝（度／脈沖）(２) 式中，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的步數(shù)為２００； ｉ為轉(zhuǎn)臺傳動機(jī)構(gòu)減速比； ｍ為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

8、動器細(xì)分?jǐn)?shù)； ｆ０為輸入８２５４的脈沖源頻率； Ｎ為分頻數(shù)，即寫入８２５４計數(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(jìn)行四舍五

9、入。產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖頻率大小具有舍入誤差，其大小不超過： (1/2)/N１００％(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)臺控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 ３．１面板模塊軟件的設(shè)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(jìn)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(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

10、時檢測面板各按鍵信號并等待串口的中斷信號，當(dāng)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(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、停止鍵以及手動控制鍵。讀取控制面板按鍵信號后，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算機(jī)之間制定了串行通訊協(xié)議。串行通訊指令

11、采用ＡＳＣＩＩ碼的形式，上位計算機(jī)指令和控制器返回信息都以“＄”字符開頭。面板模塊檢測到串口接收到字符“＄”時，則認(rèn)為上位計算機(jī)開始發(fā)送信息，信息以回車符結(jié)束?！啊纭焙竺媸寝D(zhuǎn)軸標(biāo)識符，用“Ｘ”或“Ｙ”或“Ｚ”表示，分別對應(yīng)ψ、θ、φ三個轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸標(biāo)識符后依次為速度、轉(zhuǎn)角、時間的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)換為軸控模塊可識別的十六進(jìn)制參數(shù)值，并發(fā)送到相應(yīng)的軸控模塊。 ３．２軸控模塊軟件的設(shè)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

12、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(zhuǎn)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(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１／ｓ時，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，確保在高速啟動或停止時保持穩(wěn)定，程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的高速啟動和停止進(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為加速過程的初始速度和減速過程的最終速度，并設(shè)定加減速過程中每隔１０ｍｓ速度差值△ω＝１／ｓ，所以有： Ｎ１＝(Δf0)/ω1 Ｎ２＝(Δf0)/ω2＝(Δf0)/2

13、ω1＝N1/2 ………………………… Ｎｉ＝(Δf1)/ωi＝(Δf0)/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(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(shè)定速度對應(yīng)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(biāo)及結(jié)論 表２列出了控制器控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)的模式及技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過調(diào)試運(yùn)行，測試轉(zhuǎn)臺能夠在規(guī)定模式下按要求

14、運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)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(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)，無丟步現(xiàn)象。同時，能夠利用上位計算機(jī)的圖形界面設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)指令參數(shù)，并通過串口發(fā)送指令給轉(zhuǎn)臺控制器，控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)。以５１單片機(jī)為控制核心的三軸慣性陀螺測試轉(zhuǎn)臺及其控制系統(tǒng)的研制，不僅使測試設(shè)備成本降低，而且在測試功能、測試指標(biāo)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(biāo) 功能說明指標(biāo) 速度模式控制轉(zhuǎn)臺各軸按指定的速度和時間段運(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 自動模式設(shè)定轉(zhuǎn)臺各軸運(yùn)轉(zhuǎn)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(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)通過串口相互傳遞信息遵守上位機(jī)與控制器的通訊協(xié)議