三自由度转台的设计与实现
2011年9月1日第34卷第17期
M o der n Elect ronics T echnique
现代电子技术
Sep. 2011V ol. 34N o. 17
三自由度转台的设计与实现
李 跃
(军械工程学院光学与电子工程系, 河北石家庄 050003)
摘 要:基于M SP430F149单片机设计了一种三自由度转台系统。在该系统中, 利用旋转编码器的信息反馈, 通过对电机的闭环控制, 使三自由度转台能够模拟飞机的飞行姿态。实验证明:系统能平稳、精确地按照任意给定的位置信息转动, 动态性能良好, 系统稳定性和抗干扰能力强。
关键词:三自由度转台; M SP 430单片机; 模糊控制; PID 控制
中图分类号:T N 820. 8-34 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2011) 17-0135-02
Design and Realization of Three -axis Table
L I Y ue
(Ordnanc e Engineering Colleg e, Shiji a zhuang 050003, China)
Abstract :A three -ax is table based on Single -chip M icr ocomput er M SP430F 149is designed. I n this system, using the feedback signal of R otar y Encoder and perfo rming close -lo op contr ol of moto r to make the three -ax is t able can im itate fly carr-i age o f plane. T he experiment confirms that the sy st em can ro tate steadily and accurately accor ding to arbit rar ily po sitio n sig -na l, w ho has go od dy namic state capabilit y, stable sy st em and st rong ant-i jamming capability.
Keywor ds :thr ee -ax is table; M SP430sing le -chip micr ocomputer ; fuzzy co nt rol; P ID contro l
0 引 言
三自由度飞机飞行姿态模拟实验台是集机械技术、控制技术和传感器检测技术、计算机技术于一体的综合性测试设备。它作为一种空间运动机构是飞机进行动态性能测试的关键设备, 主要用于模拟飞机的运动姿态, 为飞机提供一个非常接近实际的模拟环境, 在模拟条件下对飞机的飞行姿态进行实验研究和性能考察, 在国防和民用中都有很高的应用价值。
本文基于MSP430控制核心设计了一种三自由度模拟实验台, 并完成了给定的任务要求。1 体统总体方案
该系统主要由M SP430控制核心、电源管理模块、电机控制模块以及无线通信模块组成, 其结构框图如图1所示。
转台的实时位置由旋转编码器反馈送入微处理器进行处理。步进电机采用PID 算法进行调节, 而直流无刷电机采用模糊控制算法。软件设计中实时采集编码器的反馈信息,
实现整个系统的闭环控制。
图2 系统硬件结构图图1 系统结构框图
2 系统硬件设计
系统的硬件主要包括:主控电路、电源管理电路、电机驱动器和无线通信电路几部分, 其系统结构如图2
所示。
2. 1 MSP430主控电路
系统的核心控制采用T I 公司的M SP430系列单片机M SP430F149, 其主要特点是高度的功能集成, 易于扩展, 内部集成看门狗定时器、且自带捕获/比较寄存
收稿日期:2011-04-12
器的16位定时器T im er _A和Tim er _B支持PWM 输
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出功能以及具有超低功耗等特点, 片上集成60KB 的FLA SH 存储器和2KB 的RAM 同时提供256B 的信息FLA SH , 64脚方形扁平封装。此单片机还可以串行在线编程, 无需外部编程电压。系统I/O 口具体分配如下:P1口用于接收旋转编码器的反馈信号; P2口为中断口; P4用于驱动直流无刷电机的PWM 信号输出; P5口用于驱动步进电机的方波信号输出; P6用于电机驱动器的控制信号输出。
2. 2 电源管理电路
整个系统包含3. 3V, 5V, 12V, 24V 四个电压环境。其中, 3. 3V 给单片机系统供电, 5V 给旋转编码器供电, 12V 直接由交直流变压器引出给驱动电路供电, 24V 直接由交直流变压器引出给电机供电。5V 由12V 通过H DW20-12S05电源模块得到, 如图3所示。3. 3V 由5V 通过AMS1117芯片得到, 电路如图4
所示。
工作性能稳定, 体积小便于安装。利用M AX3232芯片, 能够完成TT L 电平和RS 232电平之间的转换, 实
现通信模块与PC 机进行串口通信。其电路原理图如图5
所示。
图5 无线通信电路原理图
3 控制策略
3. 1 步进电机控制策略
常规PID 控制器具有算法简单、稳定性好、可靠性高的特点, 价值设计容易、适应面宽, 是过程控制中应用最广泛的一类基本控制器。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时, 短时间内系统输出有很大的偏差, 会造成PID 运算的积分积累, 致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量, 引起系统较大的超调, 甚至引起系统较大的振荡, 这在生产中是绝对不允许的。积分分离控制室当被控制量与设定值偏差较大时, 取消积分作用; 当被控量接近给定值时, 引入积分控制, 以便消除静差, 提高控制精度。根据三自
图3 5V
电路原理图
图4 3. 3V 电路原理图
由度转台的实际情况, 在积分分离PID 控制算法的基础上进行算法的改进, 结合增量式PID 控制算法进行电机的控制, 实验得到了很好的控制效果。3. 2 直流无刷电机控制策略
模糊PID 控制器的原理是把输入PID 调节器的偏差e 和偏差变化率e c 同时输入到模糊控制器中。图中的F 控制器实际上是由三个分模糊控制器组成的, 分别对三个参数进行调节, 然后分别经过模糊化、近似推理和清晰化后, 把得出的修正量分别输入PID 调节器中, 对三个系数进行实时在线修正, 从而使被控对象具
有良好的动态和静态性能。
2. 3 电机驱动器
步进电机驱动器采用2605AD 驱动器。2605AD 为一款等角度恒力距细分型驱动器, 驱动电压DC 24~60V, 适配电流在5. 0A 以下、外径为57~86mm 的各种型号的二相混合式步进电机。该驱动器内部采用类似伺服控制原理的电路, 此电路可以使电机低速运行平稳, 几乎没有震动和噪音, 电机在高速时力矩大, 定位精度最高可达25600步/转。
直流无刷电机采用控制驱动器, 该驱动器为闭环速度型控制器, 采用IGBT 和MOS 功率器, 利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制, 控制环节没有PID 速度调节器, 系统控制稳定可靠, 尤其是在低速下总能达到最大转矩, 速度控制范围为150r/s~额定转速。
2. 4 无线通信电路
通过串口驱动电路中的RS 232电平转换芯片, 可以实现单片机和PC 机之间的通信, 建立人-机对话活动的通道。桑锐公司生产的SRWF -1型无线通信模块
图6 模糊控制修正PID 调节器参数原理图
(下转第140页)
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技术学报, 2010, 26(6) :893-895.
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由此可以看出, 本实验的相对误差较小, 但是由于盲区的出现, 所测的结果不能与标准值完全相等。并且
当障碍物距离比较近时, 测量精确性较高; 障碍物较远时, 精确性相对较低; 这是由于距离较远时, 超声波回波信号较弱, 噪声较大, 容易产生误差。4 结 语
目前导盲器的研究较多, 本实验提出的设计方案特点是以太阳能作为系统的动力来源, 采用半导体数字温度传感器实现对单片机超声波测距系统的温度测量和补偿, 从而对声速进行补偿, 对引起测量误差的因素进行修正处理, 可以提高导盲器的导盲精度及灵敏度。由于预留了单片机引脚, 便于进行功能拓展, 同时导盲器系统以模块化进行组装, 适宜增加其他功能模块。例如可以添加GPS 定位器, 可以帮助盲人家属及时了解盲人的行踪, 避免盲人走失。而且本设计具有操作简便、体积较小等优点, 因此可以很好地应用于实际生活中。
参 考 文 献
[1]沈常宇, 郭宝金. 相位比较法高精度超声测距研究[J].传感
[2]李雄兵, 徐志农, 胡宏伟, 等. 曲面共建超声测量中探头自动
对正的研究[J]. 中国机械工程, 2008, 19(11) :1289-1292. [3]王旭, 黄胜宇, 庞聪, 等. 基于无线传感器的室内防爆救援系
统[J]. 电子科技大学学报, 2010, 39(4) :107-110.
[4]熊春山, 彭刚, 黄心汉, 等. 基于超声测距的三维精确定位系
统与设计[J]. 自动化仪表, 2001, 22(3) :7-10.
[5]仇成群, 胡天云. 基于单片机的汽车倒车防撞报警系统设计
[J]. 现代制造工程, 2011(11) :111-114.
[6]孟庆浩, 兰少莹, 姚振静, 等. 基于混沌脉冲位置调制的实时
超声测距系统串扰抑制[J ].电子学报, 2008, 36(11) :2268-2273.
[7]李钟灵, 刘南平. 电子元件检测与选用[M ]. 北京:科学出版
社, 2009.
[8]肖炎根. 基于超声波的语音测距仪的设计[J].现代电子技
术, 2008, 31(11) :127-130.
[9]龙威林, 杨冠声, 胡山. 单片机应用入门:AT 89S51和A VR
[M ].北京:化学工业出版社, 2008.
[10]赵广涛, 程萌杭. 基于超声波传感器的测距系统设计[J].
微计算机信息, 2006(1) :130-134.
作者简介:吴飞斌 男, 1989年出生, 福建泉州人。主要研究方向为光通信工程。
(上接第136页)
4 结 论
本文以M SP430F149单片机为主控芯片, 步进电
机和直流无刷电机为驱动元件, 通过软件编程, 制作了一台精度相对较高的三自由度转台。经过对转台的旋转控制, 证明转台能平稳、精确地按照任意给定的位置信息转动, 动态性能良好, 系统稳定性和抗干扰能力强。
三自由度转台不仅在航空、航天和航海等国防军事领域中有很高的应用价值, 而且在民用领域也有非常广泛的应用前景, 但是要达到人们要求的高精度、高智能化还有很长的路要走, 需要坚持不懈的探索和研究。
参 考 文 献
[1]谢兴红, 林凡强, 吴雄英. M SP 430单片机基础与实践[M ].
北京:北京航空航天大学出版社, 2008.
[2]刘金琨. 先进PID 控制M at lab 仿真[M ].北京:电子工业出
版社, 2004.
[3]石幸民, 郝整清. 模糊控制及其M atlab 仿真[M ].北京:清华
大学出版社, 2008.
[4]马强. 三轴转台的先进PID 控制[D]. 洛阳:河南科技大
学, 2008.
[5]席爱民. 模糊控制技术[M ]. 西安:西安电子科技大学出版
社, 2008.
[6]刘进. 无人移动平台控制系统的设计与实现[D]. 石家庄:军
械工程学院, 2009.
[7]刘进. 基于摄像头的智能小车设计与实现[J].传感器世界,
2008, 14(2) :34-37.
[8]甄红涛. 视觉导航智能车控制系统的设计与实现[D ].石家
庄:军械工程学院, 2010.
[9]刘全川. 三自由度摇摆台设计与动力学分析[D]. 南京:南京
理工大学, 2009.
[10]李绍安. 某型战机飞行模拟器三自由度运动平台的研制
[D]. 武汉:华中科技大学, 2005.
作者简介:李 跃 男, 1986年出生, 山西忻州人, 在读硕士研究生。主要从事通信与信息系统方面研究。