路　平， 劉　凱， 王　龍

(軍械工程學(xué)院 無人機(jī)工程系，河北 石家莊 050003)

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三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

路平， 劉凱， 王龍

(軍械工程學(xué)院 無人機(jī)工程系，河北 石家莊 050003)

為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的高精度控制，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)字控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為控制核心，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念和開放式的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件電路，并對(duì)其功能和原理進(jìn)行了論述。以VC++6.0為開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)；以IAR EW 5.0為開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:系統(tǒng)控制效果良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

三軸轉(zhuǎn)臺(tái)； 控制系統(tǒng)； 硬件電路； 軟件設(shè)計(jì)

0　引　言

三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)是一種在航空、航天等領(lǐng)域中進(jìn)行模擬、仿真、測(cè)試等相關(guān)實(shí)驗(yàn)的半實(shí)物仿真設(shè)備，可以通過對(duì)三個(gè)框架實(shí)施不同的運(yùn)動(dòng)，模擬飛行器在空中的各種飛行動(dòng)作和姿態(tài)變化，軍事和民用價(jià)值日益突出。轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)、中、外三個(gè)框架分別模擬飛行器的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航運(yùn)動(dòng)[1]。

超低速、寬調(diào)速、高頻響、高精度是仿真轉(zhuǎn)臺(tái)最重要的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵，關(guān)系到仿真結(jié)果的優(yōu)劣[2]。轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的核心部件，主要用于控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的飛行仿真功能。

本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)字控制系統(tǒng)，從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試與轉(zhuǎn)臺(tái)控制實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面對(duì)搭建的轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳盡的闡述。通過數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的閉環(huán)控制，控制策略采用軟件程序?qū)崿F(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，控制效果良好。

1　控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3～6]

轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是采用人機(jī)交互界面的形式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)指令的收發(fā)以及轉(zhuǎn)臺(tái)的檢測(cè)；通過下位機(jī)即轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的高精度控制。

該系統(tǒng)采用圖1所示的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，以MSP430單片機(jī)為核心處理芯片，采用PC和單片機(jī)組成的集散型控制方式。

圖1　轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)主要由以下四部分組成:

1)上位機(jī)軟件平臺(tái):提供人機(jī)交互界面、完成用戶指令的響應(yīng)、工作參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和保存。

2)下位機(jī)控制器:接收上位機(jī)的控制指令、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)、采集轉(zhuǎn)臺(tái)位置和速度信息、向上位機(jī)傳遞轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行狀況等。

3)光電編碼器:轉(zhuǎn)臺(tái)的角度測(cè)量系統(tǒng)，與伺服電機(jī)同軸相連。光電編碼器輸出的脈沖經(jīng)過信號(hào)處理電路回傳到單片機(jī)中，構(gòu)成轉(zhuǎn)臺(tái)位置和速度的雙閉環(huán)控制回路，提高了轉(zhuǎn)臺(tái)的控制精度。

4)伺服系統(tǒng):作為轉(zhuǎn)臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)單片機(jī)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的飛行仿真功能。

上位機(jī)通過串口與單片機(jī)通信，向單片機(jī)發(fā)送控制指令；單片機(jī)根據(jù)接收的控制指令，輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)(帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)各軸)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)時(shí)控制；同時(shí)，光電編碼器通過轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)得到脈沖信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路處理后，輸入到單片機(jī)的定時(shí)/捕捉模塊進(jìn)行處理；最后，單片機(jī)將捕捉的轉(zhuǎn)臺(tái)位置、速度信息與控制指令比較，檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與設(shè)定值的差距，調(diào)整PWM占空比或發(fā)出剎車指令，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的閉環(huán)控制。

2　系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1處理器選型[7]

MSP430F149是美國TI(德州儀器)公司推出的一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號(hào)處理器。該單片機(jī)能在25 MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40 ns的指令周期。針對(duì)實(shí)際需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，在工業(yè)控制、智能化儀器儀表、電器產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信以及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

2.2直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及應(yīng)用

本系統(tǒng)采用DBLS—01—5A型號(hào)的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以單軸轉(zhuǎn)臺(tái)為例，驅(qū)動(dòng)器及其端口連接如圖2所示。

圖2　驅(qū)動(dòng)器及其端口連接示意圖

除電源外，直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器端口共有三類信號(hào)，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、三相霍爾換向信號(hào)和電機(jī)控制信號(hào)。各部分信號(hào)的具體功能如下[8,9]:

1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)MA,MB,MC為直流無刷電機(jī)提供相位互差120°電角度的方波信號(hào)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

2)三相霍爾換向信號(hào)HA,HB,HC為電機(jī)霍爾傳感器產(chǎn)生的三相換向輸出信號(hào)，用于直流無刷電機(jī)的換向。

3)電機(jī)控制信號(hào)分為轉(zhuǎn)向控制信號(hào)F/R，使能控制信號(hào)EN，剎車控制信號(hào)BR，轉(zhuǎn)速控制信號(hào)SV。F/R為數(shù)字信號(hào)，低電平有效，由單片機(jī)P2.0口對(duì)其控制；EN為數(shù)字信號(hào)，低電平有效，由單片機(jī)P2.1口對(duì)其控制；BR為數(shù)字信號(hào)，低電平有效，由單片機(jī)P6.1口對(duì)其控制；SV為模擬信號(hào)，輸入電壓為0～5 V，由單片機(jī)P4.1輸出PWM信號(hào)，經(jīng)積分后產(chǎn)生0～5 V模擬信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.3電源供電電路設(shè)計(jì)

電源供電電路主要用于向單片機(jī)、直流無刷電機(jī)、直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和片外I/O端口等提供能源。轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)需要24,5,3.3 V的直流電。其中3.3 V電源對(duì)MSP430單片機(jī)片內(nèi)系統(tǒng)及部分外圍器件供電；5 V用于向片外I/O端口和直流無刷驅(qū)動(dòng)器中的霍爾信號(hào)供電；24 V用于向直流無刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。

系統(tǒng)所用電源由開關(guān)電源提供，得到+24 V和+5 V的直流電，再由ASM1117芯片將+5 V電壓轉(zhuǎn)換為+3.3 V 電壓，供單片機(jī)使用。

2.4PWM信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)

為避免電機(jī)啟動(dòng)時(shí)沖擊電流的影響，提高轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)MSP430單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行隔離。單片機(jī)的供電電源由ASM1117芯片轉(zhuǎn)換得到，當(dāng)采用光電耦合進(jìn)行信號(hào)隔離時(shí)，工作電流過大，供電能力不足，且需要大量的電阻和電容配合工作，使得電路板體積增加，功耗增大，電磁兼容性下降。本系統(tǒng)采用ADI公司的iCouple系列數(shù)字隔離器，將CMOS與芯片級(jí)變壓器技術(shù)相結(jié)合，克服了上述缺點(diǎn)[10]。

本系統(tǒng)采用一片ADum1400實(shí)現(xiàn)了3路PWM輸出信號(hào)的隔離，PWM信號(hào)隔離電路如圖3所示。

圖3　PWM信號(hào)隔離電路

2.5通信模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)與上位機(jī)之間需要進(jìn)行有效通信，以保證轉(zhuǎn)臺(tái)的控制信號(hào)和狀態(tài)信息的傳輸。由于單片機(jī)TTL電平為3.3 V，而RS—232串口為12 V電平，為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的正常連接，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)采用MA2323芯片進(jìn)行TTL/RS232電平轉(zhuǎn)換，將MSP430的異步收發(fā)模塊引腳接到MA2323芯片的R1OUT/T1IN引腳，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后與PC機(jī)串口連接，用于單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

圖4　通信模塊電路圖

3　軟件功能設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件是轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其設(shè)計(jì)是否合理直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的功能[11]。

轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分。

3.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)[12]

本系統(tǒng)中，上位機(jī)采用PC機(jī)，用于提供用戶接口，配置系統(tǒng)控制參數(shù)、處理和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行軌跡參數(shù)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能。

根據(jù)上位機(jī)的任務(wù)要求，轉(zhuǎn)臺(tái)上位機(jī)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，其各功能模塊如下：

1)人機(jī)交互模塊:用于提供給用戶一個(gè)輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)和配置信息的接口，接收用戶的控制信息，傳遞到硬件接口，進(jìn)而傳遞給單片機(jī)系統(tǒng)。

2)狀態(tài)顯示模塊:將接收到的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)信息(經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊處理后的信息)進(jìn)行反編譯，然后在上位機(jī)終端上顯示出來。

3)數(shù)據(jù)處理模塊:主要用于對(duì)控制指令進(jìn)行編譯，采用幀格式的形式傳遞給單片機(jī)，同時(shí)將從單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)解算，傳遞給狀態(tài)顯示模塊。

其特點(diǎn)如下：友好的交互式人機(jī)界面，方便用戶操作。開放式的軟件結(jié)構(gòu)，便于功能的擴(kuò)展和控制器參數(shù)的修改。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、編譯、存儲(chǔ)，提供一個(gè)功能齊全的集成環(huán)境。

3.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件是轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的控制軟件，用于執(zhí)行控制策略，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)。其主要任務(wù)是：和上位機(jī)之間進(jìn)行通信，控制指令和測(cè)量元件數(shù)據(jù)的接收、采集、處理，控制算法的實(shí)現(xiàn)等。根據(jù)任務(wù)要求，單片機(jī)下位機(jī)軟件應(yīng)具有以下功能[13]：

1)初始化系統(tǒng):完成系統(tǒng)數(shù)字資源的配置和寄存器的設(shè)置、轉(zhuǎn)臺(tái)各軸框初始狀態(tài)的確定等。

2)通信功能:檢測(cè)接收到的上位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)包是否為合法指令，若數(shù)據(jù)包合法，接收數(shù)據(jù)包，否則丟棄；同時(shí)，將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài)信息打包，傳送給上位機(jī)。

3)監(jiān)測(cè)功能:下位機(jī)軟件對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生故障及時(shí)報(bào)警和故障處理，同時(shí)發(fā)出剎車信號(hào)，使轉(zhuǎn)臺(tái)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，避免損壞伺服電機(jī)。

單片機(jī)程序通過IAR EW 5.0開發(fā)環(huán)境用C語言編寫，并通過下載電纜從JTAG口下入單片機(jī)芯片內(nèi)部。

下位機(jī)的整個(gè)程序流程圖如圖5所示。

圖5　下位機(jī)程序流程圖

4　控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1軟件開發(fā)平臺(tái)

在控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，使用了Visual C++ 6.0軟件集成開發(fā)環(huán)境，建立基于對(duì)話框的應(yīng)用程序[14]。將各控件移至對(duì)話框中，構(gòu)成上位機(jī)控制界面框架。上位機(jī)控制界面如圖6所示。

圖6　上位機(jī)調(diào)試軟件

在下位機(jī)軟件開發(fā)過程中使用了IAR EW 5.0開發(fā)環(huán)境。IAR EW是由IAR公司提供的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，該嵌入式工作平臺(tái)開發(fā)環(huán)境為開發(fā)不同的處理器項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的開發(fā)環(huán)境。新建工程項(xiàng)目，選擇C語言進(jìn)行編程 ；然后進(jìn)行編譯、鏈接、調(diào)試；最后，利用MSP430—BSL下載器進(jìn)行程序下載和在線調(diào)試。

4.2系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分為三個(gè)階段，依次為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。硬件調(diào)試包括電源電路、最小系統(tǒng)、直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及光電編碼器信號(hào)反饋電路等的調(diào)試。軟件調(diào)試包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件的調(diào)試。上位機(jī)軟件調(diào)試主要檢測(cè)通信模塊是否正常，通信協(xié)議是否正確，反饋轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)與實(shí)際是否一致；下位機(jī)軟件調(diào)試依托硬件電路，主要檢測(cè)各功能模塊是否正常工作，控制算法流程是否正確等，按照先局部后整體的思路進(jìn)行。軟硬件聯(lián)調(diào)包括參數(shù)標(biāo)定和各參數(shù)調(diào)試等內(nèi)容，其最終目的是使整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)正常、穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的高精度控制。

如圖7所示為軟硬件聯(lián)調(diào)中對(duì)PWM占空比的調(diào)試。占空比依次為25 %，50 %和75 %，頻率為1 kHz。

圖7　軟硬件聯(lián)調(diào)PWM占空比變化圖

4.3轉(zhuǎn)臺(tái)控制實(shí)驗(yàn)

轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)調(diào)試為轉(zhuǎn)臺(tái)控制實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的效果，實(shí)驗(yàn)采用單軸測(cè)試的方式進(jìn)行。以偏航控制轉(zhuǎn)臺(tái)軸框?yàn)榭刂茖?duì)象，驗(yàn)證上位機(jī)、下位機(jī)以及硬件系統(tǒng)的工作狀態(tài)。表1為轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由于某些原因，轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生誤差必不可免。分析可知，轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的主要原因是：

1)信號(hào)調(diào)理電路在整定光電編碼器反饋的脈沖信號(hào)時(shí)，使得部分脈沖缺失，單片機(jī)捕捉的脈沖數(shù)與實(shí)際值不符。

2)轉(zhuǎn)臺(tái)軸框裝配存在誤差。

3)由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在慣性，單片機(jī)發(fā)出剎車信號(hào)后，電機(jī)會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。

4)單片機(jī)部分中斷過程中存在脈沖計(jì)數(shù)缺失。

根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因，后續(xù)工作中將對(duì)其進(jìn)行部分改進(jìn)，減少誤差率，提高控制精度。

表1　轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5　結(jié)　論

本文以三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對(duì)象，基于MSP—430單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字控制器，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行閉環(huán)控制。對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在滿足系統(tǒng)各種功能要求的前提下，嚴(yán)格遵循OMC(開放式體系結(jié)構(gòu)控制器)的設(shè)計(jì)理念。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)功能和任務(wù)要求，設(shè)計(jì)了硬件平臺(tái)；為實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)軟件，并對(duì)其功能和原理進(jìn)行了論述。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)字控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，控制效果良好。

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王龍,通訊作者，E—mail:271728545@qq.com。

Design of three-axis flight simulation turntable control system

LU Ping, LIU Kai, WANG Long

(Department of Unmanned Aerial Vehicle Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

In order to implement high precise control of turntable,a digital control system for turntables is designed.The coutrol system takes microprocessor MSP430 as control core,use modularization design idea and open-ended structure form,design hardware circuits of turntables control system and discuss its functions and principle. Using VC++6.0 as development environment,design software structure of upper computer;using IAR EW 5.0 as development environment, design software structure of lower computer of control system.In order to validate performance of control system,control experiment is carried out,results show that control effect of system is good and achieves expected effect.

three-axis turntable; control system; hardware circuit; software design

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0110—04

2015—10—28

TP 273

A

1000—9787(2016)09—0110—04

路平(1961-)，男，河北邯鄲人，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。