三軸慣性陀螺測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的研制

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單片機及Ｉｎｔｅｌ ８２５４定時／計數(shù)器對步進電機進行開環(huán)位置及速度控制的解決方案。

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行控制的安全性與準確性。為了確保慣性陀螺儀表工作的可靠性，需要對儀表進行定期的校驗，用測試轉(zhuǎn)臺測試陀螺儀表是比較常用的方法。某機場所使用的測試轉(zhuǎn)臺大部分存在老化嚴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)行機構(gòu)組成。選用步進電機作為各子系統(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)臺各軸進行旋轉(zhuǎn)，模擬飛機飛行中的各種姿態(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)的運轉(zhuǎn)由其控制器控制�？刂破鞯闹饕�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)進行計算或轉(zhuǎn)換，變?yōu)椴竭M電機的運轉(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進行串行通訊，并執(zhí)行上位計算機的控制指令。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�括步進電機的驅(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、步進電機驅(qū)動器和機箱、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Ａｔｍｅｌ ＡＴ８９Ｃ５２單片機作為控制核心。液晶屏采用ＳＥＩＫＯ ＥＰＳＯＮ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，還可以擴展其它需要的字符。步進電機驅(qū)動器采用ＲＯＲＺＥ公司的ＲＤ－０２３ＭＳ兩相步進電機驅(qū)動器。

２．１ 控制面板的管理

面板控制模塊選用四片８２５５通用擴展并口作為單片機與各子系統(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單片機的串口通過１４８８－１４８９ ＲＳ２３２電平轉(zhuǎn)換電路與上位計算機的串口連接。

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)準備好，為“０”時表示數(shù)據(jù)已被軸控模塊接收或數(shù)據(jù)未到達狀態(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 步進電機脈沖產(chǎn)生及控制電路

系統(tǒng)采用８２５４定時／計數(shù)器產(chǎn)生控制步進電機運轉(zhuǎn)的方波脈沖，并對輸出脈沖進行計數(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進行分頻并輸出控制脈沖。計數(shù)器２對輸出的脈沖進行計數(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?來控制步進電機的轉(zhuǎn)速，計數(shù)器２通過記錄計數(shù)器１輸出的脈沖數(shù)量來控制電機的轉(zhuǎn)角。步進電機的輸出轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定：

ω＝Δ·fo/N(度／秒)??(１)?

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