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三自由度转台的设计与实现

三自由度转台的设计与实现

关键字:三自由度转台   MSP430   单片机   模糊控制  PID控制  
  摘要:基于MSP430F149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。

  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MSP430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。


  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TI公司的MSP430系列单片机MSP430F149,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/比较寄存器的16位定时器Timer_A和Timer_B支持PWM输出功能以及具有超低功耗等特点,片上集成60 KB的FLASH存储器和2 KB的RAM同时提供256 B的信息FLASH,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3.3 V,5 V,12 V,24 V四个电压环境。其中,3.3 V给单片机系统供电,5 V给旋转编码器供电,12 V直接由交直流变压器引出给驱动电路供电,24 V直接由交直流变压器引出给电机供电。5 V由12 V通过HDW20-12S05电源模块得到,如图3所示。3.3 V由5 V通过AMS1117芯片得到,电路如图4所示。


  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 24~60 V,适配电流在5.0 A以下、外径为57~86 mm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25 600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型无线通信模块工作性能稳定,体积小便于安装。利用MAX3232芯片,能够完成TTL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。

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