摘要:基于MSP430F149單片機設(shè)計了一種三自由度轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,利用旋轉(zhuǎn)編碼器的信息反饋,通過對電機的閉環(huán)控制,使三自由度轉(zhuǎn)臺能夠模擬飛機的飛行姿態(tài)。實驗證明:系統(tǒng)能平穩(wěn)、精確地按照任意給定的位置信息轉(zhuǎn)動,動態(tài)性能良好,系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力強。
關(guān)鍵詞:三自由度轉(zhuǎn)臺;MSP430單片機;模糊控制;PID控制
0 引言
三自由度飛機飛行姿態(tài)模擬實驗臺是集機械技術(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(shè)備。它作為一種空間運動機構(gòu)是飛機進行動態(tài)性能測試的關(guān)鍵設(shè)備,主要用于模擬飛機的運動姿態(tài),為飛機提供一個非常接近實際的模擬環(huán)境,在模擬條件下對飛機的飛行姿態(tài)進行實驗研究和性能考察,在國防和民用中都有很高的應(yīng)用價值。
本文基于MSP430控制核心設(shè)計了一種三自由度模擬實驗臺,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、電機控制模塊以及無線通信模塊組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
轉(zhuǎn)臺的實時位置由旋轉(zhuǎn)編碼器反饋送入微處理器進行處理。步進電機采用PID算法進行調(diào)節(jié),而直流無刷電機采用模糊控制算法。軟件設(shè)計中實時采集編碼器的反饋信息,實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)的硬件主要包括:主控電路、電源管理電路、電機驅(qū)動器和無線通信電路幾部分,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MSP430F149,其主要特點是高度的功能集成,易于擴展,內(nèi)部集成看門狗定時器、且自帶捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A和Timer_B支持PWM輸出功能以及具有超低功耗等特點,片上集成60 KB的FLASH存儲器和2 KB的RAM同時提供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編程,無需外部編程電壓。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;P2口為中斷口;P4用于驅(qū)動直流無刷電機的PWM信號輸出;P5口用于驅(qū)動步進電機的方波信號輸出;P6用于電機驅(qū)動器的控制信號輸出。
2.2 電源管理電路
整個系統(tǒng)包含3.3 V,5 V,12 V,24 V四個電壓環(huán)境。其中,3.3 V給單片機系統(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HDW20-12S05電源模塊得到,如圖3所示。3.3 V由5 V通過AMS1117芯片得到,電路如圖4所示。
2.3 電機驅(qū)動器
步進電機驅(qū)動器采用2605AD驅(qū)動器。2605AD為一款等角度恒力距細分型驅(qū)動器,驅(qū)動電壓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電機。該驅(qū)動器內(nèi)部采用類似伺服控制原理的電路,此電路可以使電機低速運行平穩(wěn),幾乎沒有震動和噪音,電機在高速時力矩大,定位精度最高可達25 600步/轉(zhuǎn)。
直流無刷電機采用控制驅(qū)動器,該驅(qū)動器為閉環(huán)速度型控制器,采用IGBT和MOS功率器,利用直流無刷電機的霍爾信號進行倍頻后進行閉環(huán)速度控制,控制環(huán)節(jié)沒有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到最大轉(zhuǎn)矩,速度控制范圍為150r/s~額定轉(zhuǎn)速。
2.4 無線通信電路
通過串口驅(qū)動電路中的RS 232電平轉(zhuǎn)換芯片,可以實現(xiàn)單片機和PC機之間的通信,建立人-機對話活動的通道。桑銳公司生產(chǎn)的SRWF-1型無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,實現(xiàn)通信模塊與PC機進行串口通信。其電路原理圖如圖5所示。
3 控制策略
3.1 步進電機控制策略
常規(guī)PID控制器具有算法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點,價值設(shè)計容易、適應(yīng)面寬,是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一類基本控制器。但在過程的啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時,短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差,會造成PID運算的積分積累,致使控制量超過執(zhí)行機構(gòu)可能允許的最大動作范圍對應(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)中是絕對不允許的。積分分離控制室當被控制量與設(shè)定值偏差較大時,取消積分作用;當被控量接近給定值時,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)臺的實際情況,在積分分離PID控制算法的基礎(chǔ)上進行算法的改進,結(jié)合增量式PID控制算法進行電機的控制,實驗得到了很好的控制效果。
3.2 直流無刷電機控制策略
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同時輸入到模糊控制器中。圖中的F控制器實際上是由三個分模糊控制器組成的,分別對三個參數(shù)進行調(diào)節(jié),然后分別經(jīng)過模糊化、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,對三個系數(shù)進行實時在線修正,從而使被控對象具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。
4 結(jié)論
本文以MsP430F149單片機為主控芯片,步進電機和直流無刷電機為驅(qū)動元件,通過軟件編程,制作了一臺精度相對較高的三自由度轉(zhuǎn)臺。經(jīng)過對轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)控制,證明轉(zhuǎn)臺能平穩(wěn)、精確地按照任意給定的位置信息轉(zhuǎn)動,動態(tài)性能良好,系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力強。
三自由度轉(zhuǎn)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(yīng)用價值,而且在民用領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用前景,但是要達到人們要求的高精度、高智能化還有很長的路要走,需要堅持不懈的探索和研究。