三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，利用旋轉(zhuǎn)編碼器的信息反饋，通過(guò)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制，使三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)能夠模擬飛機(jī)的飛行姿態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明：系統(tǒng)能平穩(wěn)、精確地按照任意給定的位置信息轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)性能良好，系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)；MSP430單片機(jī)；模糊控制；PID控制

0 引言
    三自由度飛機(jī)飛行姿態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)是集機(jī)械技術(shù)、控制技術(shù)和傳感器檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的綜合性測(cè)試設(shè)備。它作為一種空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是飛機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于模擬飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，為飛機(jī)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(duì)飛機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和性能考察，在國(guó)防和民用中都有很高的應(yīng)用價(jià)值。
    本文基于MSP430控制核心設(shè)計(jì)了一種三自由度模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并完成了給定的任務(wù)要求。

1 體統(tǒng)總體方案
    該系統(tǒng)主要由MSP430控制核心、電源管理模塊、電機(jī)控制模塊以及無(wú)線通信模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)時(shí)位置由旋轉(zhuǎn)編碼器反饋送入微處理器進(jìn)行處理。步進(jìn)電機(jī)采用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，而直流無(wú)刷電機(jī)采用模糊控制算法。軟件設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)采集編碼器的反饋信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件主要包括：主控電路、電源管理電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和無(wú)線通信電路幾部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．1 MSP430主控電路
    系統(tǒng)的核心控制采用TI公司的MSP430系列單片機(jī)MSP430F149，其主要特點(diǎn)是高度的功能集成，易于擴(kuò)展，內(nèi)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(chǔ)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(jī)還可以串行在線編程，無(wú)需外部編程電壓。系統(tǒng)I／O口具體分配如下：P1口用于接收旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋信號(hào)；P2口為中斷口；P4用于驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)的PWM信號(hào)輸出；P5口用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方波信號(hào)輸出；P6用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)輸出。
2．2 電源管理電路
    整個(gè)系統(tǒng)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(jī)系統(tǒng)供電，5 V給旋轉(zhuǎn)編碼器供電，12 V直接由交直流變壓器引出給驅(qū)動(dòng)電路供電，24 V直接由交直流變壓器引出給電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)器
    步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用2605AD驅(qū)動(dòng)器。2605AD為一款等角度恒力距細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)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(hào)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用類似伺服控制原理的電路，此電路可以使電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，幾乎沒(méi)有震動(dòng)和噪音，電機(jī)在高速時(shí)力矩大，定位精度最高可達(dá)25 600步／轉(zhuǎn)。
    直流無(wú)刷電機(jī)采用控制驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)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(jī)的霍爾信號(hào)進(jìn)行倍頻后進(jìn)行閉環(huán)速度控制，控制環(huán)節(jié)沒(méi)有PID速度調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)控制穩(wěn)定可靠，尤其是在低速下總能達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，速度控制范圍為150r／s～額定轉(zhuǎn)速。
2．4 無(wú)線通信電路
    通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)電路中的RS 232電平轉(zhuǎn)換芯片，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)之間的通信，建立人-機(jī)對(duì)話活動(dòng)的通道。桑銳公司生產(chǎn)的SRWF-1型無(wú)線通信模塊工作性能穩(wěn)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(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)通信模塊與PC機(jī)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(jī)控制策略
    常規(guī)PID控制器具有算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，價(jià)值設(shè)計(jì)容易、適應(yīng)面寬，是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一類基本控制器。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產(chǎn)中是絕對(duì)不允許的。積分分離控制室當(dāng)被控制量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用；當(dāng)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(jù)三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際情況，在積分分離PID控制算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行算法的改進(jìn)，結(jié)合增量式PID控制算法進(jìn)行電機(jī)的控制，實(shí)驗(yàn)得到了很好的控制效果。
3．2 直流無(wú)刷電機(jī)控制策略
    模糊PID控制器的原理是把輸入PID調(diào)節(jié)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(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)器中，對(duì)三個(gè)系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線修正，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。

4 結(jié)論
    本文以MsP430F149單片機(jī)為主控芯片，步進(jìn)電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，通過(guò)軟件編程，制作了一臺(tái)精度相對(duì)較高的三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)。經(jīng)過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)控制，證明轉(zhuǎn)臺(tái)能平穩(wěn)、精確地按照任意給定的位置信息轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)性能良好，系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)。
    三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)不僅在航空、航天和航海等國(guó)防軍事領(lǐng)域中有很高的應(yīng)用價(jià)值，而且在民用領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用前景，但是要達(dá)到人們要求的高精度、高智能化還有很長(zhǎng)的路要走，需要堅(jiān)持不懈的探索和研究。