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三軸慣性陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的研制
摘要：介紹了三軸慣性陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的工作方式及其控制系統(tǒng)的功能，研究了以８０５１單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心的轉(zhuǎn)臺(tái)控制器的硬件及軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了采用８０５１單片機(jī)及Ｉｎｔｅｌ ８２５４定時(shí)／計(jì)數(shù)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行開(kāi)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(lèi)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(dòng)駕駛儀對(duì)飛行器進(jìn)行控制的安全性與準(zhǔn)確性。為了確保慣性陀螺儀表工作的可靠性，需要對(duì)儀表進(jìn)行定期的校驗(yàn)，用測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試陀螺儀表是比較常用的方法。某機(jī)場(chǎng)所使用的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)大部分存在老化嚴(yán)重以及功能單一的問(wèn)題，尤其是部分轉(zhuǎn)臺(tái)還是老式的手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，很難保證校準(zhǔn)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(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)及其控制系統(tǒng)。
１ 陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)及其控制系統(tǒng)介紹
陀螺測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)主要由高精度轉(zhuǎn)臺(tái)及其控制系統(tǒng)組成。三軸轉(zhuǎn)臺(tái)由ψ軸轉(zhuǎn)臺(tái)、θ軸轉(zhuǎn)臺(tái)、φ軸轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)子系統(tǒng)組成，分別實(shí)現(xiàn)三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。各子系統(tǒng)由臺(tái)體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。選用步進(jìn)電機(jī)作為各子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置，經(jīng)蝸輪蝸桿及齒輪減速后輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)的三個(gè)子系統(tǒng)中，θ軸轉(zhuǎn)臺(tái)固定在ψ軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤(pán)上，φ軸轉(zhuǎn)臺(tái)固定在θ軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤(pán)上。將被測(cè)試陀螺儀表固定于φ軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤(pán)上，按測(cè)試要求控制轉(zhuǎn)臺(tái)各軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，模擬飛機(jī)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(tái)的姿態(tài)與儀表的輸出即可校對(duì)儀表偏差。
各子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)由其控制器控制�？刂破鞯闹饕δ苁墙邮詹僮魅藛T的控制指令，對(duì)控制面板輸入的控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算或轉(zhuǎn)換，變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制信號(hào)，輸出到測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)；轉(zhuǎn)臺(tái)在控制器的控制下可工作在速度、轉(zhuǎn)角、自動(dòng)等模式；轉(zhuǎn)臺(tái)控制器能夠與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通訊，并執(zhí)行上位計(jì)算機(jī)的控制指令。轉(zhuǎn)臺(tái)與控制器之間通過(guò)航空插頭連接起來(lái)，其傳輸?shù)男盘?hào)包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和慣性陀螺儀的反饋信號(hào)。
２ 轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)臺(tái)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和機(jī)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(jī)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(guò)字符發(fā)生器不僅可以調(diào)用固化的１６０種點(diǎn)陣字符，還可以擴(kuò)展其它需要的字符。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用ＲＯＲＺＥ公司的ＲＤ－０２３ＭＳ兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
２．１ 控制面板的管理
面板控制模塊選用四片８２５５通用擴(kuò)展并口作為單片機(jī)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(jī)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(hào)。ＡＴ８９Ｃ５２單片機(jī)的串口通過(guò)１４８８－１４８９ ＲＳ２３２電平轉(zhuǎn)換電路與上位計(jì)算機(jī)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(guò)兩片８２５５完成運(yùn)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(guò)發(fā)送、查詢(xún)、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(hào)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(biāo)志位，當(dāng)Ｑ１為“１”時(shí)表示面板模塊所要傳送的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，為“０”時(shí)表示數(shù)據(jù)已被軸控模塊接收或數(shù)據(jù)未到達(dá)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(xún)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(jìn)電機(jī)脈沖產(chǎn)生及控制電路
系統(tǒng)采用８２５４定時(shí)／計(jì)數(shù)器產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方波脈沖，并對(duì)輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。將８２５４的計(jì)數(shù)器０設(shè)定在方波發(fā)生器工作方式，計(jì)數(shù)器２設(shè)定在計(jì)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(shí)／計(jì)數(shù)器２產(chǎn)生的方波脈沖送入８２５４計(jì)數(shù)器０進(jìn)行分頻并輸出控制脈沖。計(jì)數(shù)器２對(duì)輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)脈沖數(shù)與計(jì)數(shù)器２的計(jì)數(shù)值相等時(shí)?計(jì)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(cè)查詢(xún)。當(dāng)ＡＴ８９Ｃ５２的晶體振蕩頻率為２４ＭＨｚ時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)其ＲＣＡＰ２Ｈ和ＲＣＡＰ２Ｌ的值可使其定時(shí)／計(jì)數(shù)器２產(chǎn)生９２Ｈｚ～６ＭＨｚ的方波脈沖。通過(guò)對(duì)８２５４計(jì)數(shù)器０的數(shù)據(jù)寄存器寫(xiě)入分頻值Ｎ，使其輸出相應(yīng)頻率的方波脈沖?來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)數(shù)器２通過(guò)記錄計(jì)數(shù)器１輸出的脈沖數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角。步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定：
ω＝Δ·fo/N(度／秒)??(１)?
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