陀螺測試轉(zhuǎn)臺控制

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(jì)問題，提出了采用單片機(jī)及定時(shí)計(jì)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(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(yàn)，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(dòng)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)。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)臺由軸轉(zhuǎn)臺、軸轉(zhuǎn)臺、軸轉(zhuǎn)臺三個(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)臺的三個(gè)子系統(tǒng)中，軸轉(zhuǎn)臺固定在軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)盤上，軸轉(zhuǎn)臺固定在軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)盤上。將被測試陀螺儀表固定于軸轉(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)，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。控制器的主要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(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，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(dòng)等模式；轉(zhuǎn)臺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(dòng)信號和慣性陀螺儀的反饋信號。轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(dòng)器和機(jī)箱、電源等組成，圖為系統(tǒng)硬件組成示意圖。面板控制模塊和各子系統(tǒng)軸控模塊均采用單片機(jī)作為控制核心。液晶屏采用公司生產(chǎn)的液晶顯示屏及其控制電路，其顯示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)器采用公司的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。控制面板的管理面板控制模塊選用四片通用擴(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)的口作為數(shù)據(jù)傳輸端口，口作為各的片選及端口選擇地址。與各子系統(tǒng)軸模塊通訊的三片的口和口分別作為數(shù)據(jù)的發(fā)送口和接收口，口提供握手信號。單片機(jī)的串口通過電平轉(zhuǎn)換電路與上位計(jì)算機(jī)的串口連接。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完成運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)和狀態(tài)信息的傳遞。圖所示為軸控模塊與面板模塊的接口電路示意圖。電路中使用了觸發(fā)器，通過發(fā)送、查詢、接收、置位等方式，控制數(shù)據(jù)在兩片之間傳輸。觸發(fā)器的輸出信號作為面板模塊向軸控模塊傳送數(shù)據(jù)的狀態(tài)標(biāo)志位，當(dāng)為“”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“”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)器由面板模塊的和軸控模塊的共同控制，由面板的和軸控模塊的查詢的狀態(tài)。同理，觸發(fā)器控制由軸控模塊發(fā)送到面板模塊的數(shù)據(jù)，的輸出值表示數(shù)據(jù)傳送的狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)脈沖產(chǎn)生及控制電路系統(tǒng)采用定時(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，并對輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。將的計(jì)數(shù)器設(shè)定在方波發(fā)生器工作方式，計(jì)數(shù)器設(shè)定在計(jì)數(shù)器方式。圖為用分頻產(chǎn)生控制脈沖的原理圖。由內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的方波脈沖送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻并輸出控制脈沖。計(jì)數(shù)器對輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)脈沖數(shù)與計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相等時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出端產(chǎn)生電平變化，并被的口監(jiān)測查詢。當(dāng)?shù)木w振蕩頻率為時(shí)，通過調(diào)節(jié)其和的值可使其定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的方波脈沖。通過對計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)寄存器寫入分頻值，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(jì)數(shù)器通過記錄計(jì)數(shù)器輸出的脈沖數(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：fo/N(度秒)()步距角（度脈沖）()式中，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的步數(shù)為；為轉(zhuǎn)臺傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速比；為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)；為輸入的脈沖源頻率；為分頻數(shù)，即寫入計(jì)數(shù)器的值。表1各軸分頻值N的設(shè)定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速范圍/sim(度/脈沖)分頻數(shù)N高速（fo=6MHz）低速(=10kHz)軸0.015020500.0018216635291121800軸0.055480500.000075909000-軸0.055280500.0001285715415428-各子系統(tǒng)寫入計(jì)數(shù)器的分頻值如表所示。由于對計(jì)數(shù)器寫入的分頻值只能為正整數(shù)，而通過計(jì)算得出的分頻值不一定為正整數(shù)，因此要對輸入計(jì)數(shù)器的分頻值進(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：(1/2)/N()三軸的最小分頻值（軸），轉(zhuǎn)速最大誤差為。轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)面板模塊軟件的設(shè)計(jì)面板模塊程序流程圖如圖所示。上電開始后，軟件首先對的內(nèi)部寄存器、液晶顯示屏以及并口進(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。面板初始化完成后，軟件將同時(shí)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“軸（或軸、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、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)軸通訊的寄存器中，并將該的位置高，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)識符，用“”或“”或“”表示，分別對應(yīng)、三個(gè)轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸標(biāo)識符后依次為速度、轉(zhuǎn)角、時(shí)間的碼表示值。程序?qū)⒔邮盏降纳衔豢刂浦噶钪械拇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。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所示。程序開始后先初始化各口和各計(jì)數(shù)器的工作方式。軟件通過查詢的口，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(jì)算轉(zhuǎn)換成為計(jì)數(shù)器的分頻值和計(jì)數(shù)器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()可知，分頻值是角速度的反比例函數(shù)，設(shè)定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速度差值，所以有：(f0)/1(f0)/2(f0)/21N1/2(f1)/i(f0)/i1N1/i即每經(jīng)過延時(shí)循環(huán)送給定時(shí)器的分頻值就是將對應(yīng)的分頻值除以當(dāng)前的循環(huán)次數(shù)得到的。程序?qū)⒚恳徊郊訙p速送入的值保存到起始地址為的內(nèi)存單元中，制成分頻值的數(shù)表。在加速過程中，依次將分頻值送入計(jì)數(shù)器中，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，并將作為最終分頻值為止。減速過程則與加速過程相反。性能指標(biāo)及結(jié)論表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(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)，并通過串口發(fā)送指令給轉(zhuǎn)臺控制器，控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)。以單片機(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(yàn)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(shí)間段運(yùn)轉(zhuǎn)軸子系統(tǒng)：0.01/s50/s軸子系統(tǒng)：0.01/s5/s軸子系統(tǒng)：0.01/s5/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：0.01999自動(dòng)模式設(shè)定轉(zhuǎn)臺各軸運(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)通過串口相互傳遞信息遵守上位機(jī)與控制器的通訊協(xié)議