引言
三自由度飛機飛行姿態(tài)模擬實(shí)驗臺是集機械技術(shù)、控制技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)、計算機技術(shù)于一體的綜合性測試設備。它作為一種空間運動(dòng)機構是飛機進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測試的關(guān)鍵設備，主要用于模擬飛機的運動(dòng)姿態(tài)，為飛機提供一個(gè)非常接近實(shí)際的模擬環(huán)境，在模擬條件下對飛機的飛行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)驗研究和性能考察，在國防和民用中都有很高的應用價(jià)值。
本文基于MSP430控制核心設計了一種三自由度模擬實(shí)驗臺，并完成了給定的任務(wù)要求。
1、 體統總體方案
該系統主要由MSP430控制核心、電源管理模塊、電機控制模塊以及無(wú)線(xiàn)通信模塊組成，其結構框圖如圖1所示。
轉臺的實(shí)時(shí)位置由旋轉編碼器反饋送入微處理器進(jìn)行處理。步進(jìn)電機采用PID算法進(jìn)行調節，而直流無(wú)刷電機采用模糊控制算法。軟件設計中實(shí)時(shí)采集編碼器的反饋信息，實(shí)現整個(gè)系統的閉環(huán)控制。
2 、系統硬件設計
系統的硬件主要包括：主控電路、電源管理電路、電機驅動(dòng)器和無(wú)線(xiàn)通信電路幾部分，其系統結構如圖2所示。
2．1 MSP430主控電路
系統的核心控制采用TI公司的MSP430系列單片機MSP430F149，其主要特點(diǎn)是高度的功能集成，易于擴展，內部集成看門(mén)狗定時(shí)器、且自帶捕獲／比較寄存器的16位定時(shí)器TImer_A和TImer_B支持PWM輸出功能以及具有超低功耗等特點(diǎn)，片上集成60 KB的FLASH存儲器和2 KB的RAM同時(shí)提供256 B的信息FLASH，64腳方形扁平封裝。此單片機還可以串行在線(xiàn)編程，無(wú)需外部編程電壓。系統I／O口具體分配如下：P1口用于接收旋轉編碼器的反饋信號；P2口為中斷口；P4用于驅動(dòng)直流無(wú)刷電機的PWM信號輸出；P5口用于驅動(dòng)步進(jìn)電機的方波信號輸出；P6用于電機驅動(dòng)器的控制信號輸出。
2．2 電源管理電路
整個(gè)系統包含3．3 V，5 V，12 V，24 V四個(gè)電壓環(huán)境。其中，3．3 V給單片機系統供電，5 V給旋轉編碼器供電，12 V直接由交直流變壓器引出給驅動(dòng)電路供電，24 V直接由交直流變壓器引出給電機供電。5 V由12 V通過(guò)HDW20-12S05電源模塊得到，如圖3所示。3．3 V由5 V通過(guò)AMS1117芯片得到，電路如圖4所示。
2．3 電機驅動(dòng)器
步進(jìn)電機驅動(dòng)器采用2605AD驅動(dòng)器。2605AD為一款等角度恒力距細分型驅動(dòng)器，驅動(dòng)電壓DC 24～60 V，適配電流在5．0 A以下、外徑為57～86 mm的各種型號的二相混合式步進(jìn)電機。該驅動(dòng)器內部采用類(lèi)似伺服控制原理的電路，此電路可以使電機低速運行平穩，幾乎沒(méi)有震動(dòng)和噪音，電機在高速時(shí)力矩大，定位精度最高可達25 600步／轉。
直流無(wú)刷電機采用控制驅動(dòng)器，該驅動(dòng)器為閉環(huán)速度型控制器，采用IGBT和MOS功率器，利用直流無(wú)刷電機的霍爾信號進(jìn)行倍頻后進(jìn)行閉環(huán)速度控制，控制環(huán)節沒(méi)有PID速度調節器，系統控制穩定可靠，尤其是在低速下總能達到最大轉矩，速度控制范圍為150r／s～額定轉速。
2．4 無(wú)線(xiàn)通信電路
通過(guò)串口驅動(dòng)電路中的RS 232電平轉換芯片，可以實(shí)現單片機和PC機之間的通信，建立人-機對話(huà)活動(dòng)的通道。桑銳公司生產(chǎn)的SRWF-1型無(wú)線(xiàn)通信模塊工作性能穩定，體積小便于安裝。利用MAX3232芯片，能夠完成TTL電平和RS 232電平之間的轉換，實(shí)現通信模塊與PC機進(jìn)行串口通信。其電路原理圖如圖5所示。
3 、控制策略
3．1 步進(jìn)電機控制策略
常規PID控制器具有算法簡(jiǎn)單、穩定性好、可靠性高的特點(diǎn)，價(jià)值設計容易、適應面寬，是過(guò)程控制中應用最廣泛的一類(lèi)基本控制器。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結束或大幅度增減設定時(shí)，短時(shí)間內系統輸出有很大的偏差，會(huì )造成PID運算的積分積累，致使控制量超過(guò)執行機構可能允許的最大動(dòng)作范圍對應的極限控制量，引起系統較大的超調，甚至引起系統較大的振蕩，這在生產(chǎn)中是絕對不允許的。積分分離控制室當被控制量與設定值偏差較大時(shí)，取消積分作用；當被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。根據三自由度轉臺的實(shí)際情況，在積分分離PID控制算法的基礎上進(jìn)行算法的改進(jìn)，結合增量式PID控制算法進(jìn)行電機的控制，實(shí)驗得到了很好的控制效果。
3．2 直流無(wú)刷電機控制策略
模糊PID控制器的原理是把輸入PID調節器的偏差e和偏差變化率ec同時(shí)輸入到模糊控制器中。圖中的F控制器實(shí)際上是由三個(gè)分模糊控制器組成的，分別對三個(gè)參數進(jìn)行調節，然后分別經(jīng)過(guò)模糊化、近似推理和清晰化后，把得出的修正量分別輸入PID調節器中，對三個(gè)系數進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)修正，從而使被控對象具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。
4 、結論
本文以MSP430F149單片機為主控芯片，步進(jìn)電機和直流無(wú)刷電機為驅動(dòng)元件，通過(guò)軟件編程，制作了一臺精度相對較高的三自由度轉臺。經(jīng)過(guò)對轉臺的旋轉控制，證明轉臺能平穩、精確地按照任意給定的位置信息轉動(dòng)，動(dòng)態(tài)性能良好，系統穩定性和抗干擾能力強。
三自由度轉臺不僅在航空、航天和航海等國防軍事領(lǐng)域中有很高的應用價(jià)值，而且在民用領(lǐng)域也有非常廣泛的應用前景，但是要達到人們要求的高精度、高智能化還有很長(cháng)的路要走，需要堅持不懈的探索和研究。 |
