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1、三轴惯性陀螺测试转台控制系统的研制摘要：介绍了三轴惯性陀螺测试转台的工作方式及其控制系统的功能，研究了以8 0 5 1单 片机为系统控制核心的转台控制器的硬件及软件设计问题，提出了采用8 0 5 1单片机及I ntel 8254定时/计数器对步进电机进行开环位置及速度控制的解决方案。面板控制模块控制面板图I控制系统硬件组成关键词：陀螺测试转台单导航系统是飞行器的 表普遍应用于各种类型的飞 了飞行器的飞行姿态以及其 为或自动驾驶仪对飞行器进 为了确保惯性陀螺仪表工作 定期的校验，用测试转台测试 法。某机场所使用的测试转台 能单一的问题，尤其是部分转 难保证校准精度，所以需要研 精度陀螺测试转台及
2、其控制1陀螺测试转台及其控制系陀螺测试转台主要由 成。三轴转台由甲轴转台、e 统组成，分别实现三个轴的转 系统、转动系统以及执行机构片机步进电机运动控制 重要组成部分。惯性陀螺仪 行器的导航系统中，它反映 它重要导航信息，保证了人 行控制的安全性与准确性。的可靠性，需要对仪表进行 陀螺仪表是比较常用的方 大部分存在老化严重以及功 台还是老式的手动转台，很 制新型数字化的低成本的高 系统。统介绍高精度转台及其控制系统组 轴转台、轴转台三个子系 动。各子系统由台体、驱动 组成。选用步进电机作为各子系统驱动装置，经蜗轮蜗杆及齿轮减速后输出旋转运动。转台的三个子系统中，e轴转台 固定在甲轴转台的转盘上
3、，轴转台固定在e轴转台的转盘上。将被测试陀螺仪表固定于？ 轴转台的转盘上，按测试要求控制转台各轴进行旋转，模拟飞机飞行中的各种姿态，陀螺仪 表则输出相应的姿态信息，比较转台的姿态与仪表的输出即可校对仪表偏差。各子系统的运转由其控制器控制。控制器的主要功能是接收操作人员的控制指令，对 控制面板输入的控制参数进行计算或转换，变为步进电机的运转控制信号，输出到测试转台; 转台在控制器的控制下可工作在速度、转角、自动等模式；转台控制器能够与上位计算机进 行串行通讯，并执行上位计算机的控制指令。转台与控制器之间通过航空插头连接起来，其 传输的信号包括步进电机的驱动信号和惯性陀螺仪的反馈信号。2转台控制系
4、统的硬件设计转台控制系统主要由面板控制模块、控制面板及液晶显示屏、各子系统轴控模块、步 进电机驱动器和机箱、电源等组成，图1为系统硬件组成示意图。面板控制模块和各子系统 轴控模块均采用Atmel AT89C52单片机作为控制核心。液晶屏采用SEIKO EPSON公司生产的SED 1 3 3 5液晶显示屏及其控制电路，其显示RAM具有字符和 图形显示特区，通过字符发生器不仅可以调用固化的16 0种点阵字符，还可以扩展其它需 要的字符。步进电机驱动器采用RORZE公司的RD-023MS两相步进电机驱动器。2.1控制面板的管理面板控制模块选用四片8255通用扩展并口作为单片机与各子系统轴模块和面板
5、按键、指示灯之间的接口。单片机的P0 口作为数据传输端口，P2 口作为各8 2 5 5的片 选及端口选择地址。与各子系统轴模块通讯的三片8 2 5 5的A 口和B 口分别作为数据的发 送口和接收口，C 口提供握手信号。AT89C52单片机的串口通过1 4 8 8 1 4 8 9 RS 2 3 2电平转换电路与上位计算机的串口连接。2.2面板模块与轴控模块的通信面板模块与轴控模块之间通过两片8 2 5 5完成运转参数和状态信息的传递。图2所 示为轴控模块8 2 5 5与面板模块8 2 5 5的接口电路示意图。电路中使用7RS触发器7 4LS74，通过发送、查询、接收、置位等方式，控制数据在两片8
6、 2 5 5之间传输。触 发器1的输出信号Q1作为面板模块8255向轴控模块8255传送数据的状态标志位， 当Q1为“1”时表示面板模块所要传送的数据已经准备好，为“0”时表示数据已被轴控 模块接收或数据未到达状态。触发器1由面板模块8 2 5 5的C0和轴控模块8 2 5 5的C 4共同控制，由面板8 2 5 5的C4和轴控模块8 2 5 5的C0查询Q1的状态。同理，触 发器2控制由轴控模块8 2 5 5发送到面板模块8 2 5 5的数据，Q2的输出值表示数据传 送的状态。数据缓冲器子系统轴图3 S254产生步进电机控制脉冲的原理图2.3步进电机脉冲产生及控制电路系统采用8 2 5 4定时
7、/计数器产生控制步进电机运转的方波脉冲，并对输出脉冲进 行计数。将8254的计数器0设定在方波发生器工作方式，计数器2设定在计数器方式。 图3为用8 2 5 4分频产生控制脉冲的原理图。由AT89C52内部定时/计数器2产生 的方波脉冲送入8 2 5 4计数器0进行分频并输出控制脉冲。计数器2对输出的脉冲进行计 数。当脉冲数与计数器2的计数值相等时 计数器2的输出端产生电平变化，并被AT 8 9 C52的Pl. 1 口监测查询。当AT89C52的晶体振荡频率为24MHz时，通过调 节其RCAP2H和RCAP2L的值可使其定时/计数器2产生92Hz6 MHz的 方波脉冲。通过对8 2 5 4计数
8、器0的数据寄存器写入分频值N,使其输出相应频率的方波 脉冲 来控制步进电机的转速，计数器2通过记录计数器1输出的脉冲数量来控制电机的转 角。步进电机的输出转速由下式决定：3=Afo/N（度/秒）（1）步距角= 360/（200 i m）（度 / 脉冲）（2）式中，步进电机旋转一周的步数为200；i为转台传动机构减速比；m为步进电机驱动器细分数；f0为输入8 2 5 4的脉冲源频率；N为分频数，即写入8254计数器0的值。表1各轴分频值N的设定转轴转速范围/sim（度/脉冲）分频数N高速(fo=6MHz)低速(=10kHz)轴0.01 5020500.0018216635291121800轴0.
9、05 5480500.000075909000轴0.05 5280500.0001285715415428各子系统写入8 2 5 4计数器0的分频值如表1所示。由于对8 2 5 4计数器写入的 分频值只能为正整数，而通过计算得出的分频值N不一定为正整数，因此要对输入8 2 5 4 计数器0的分频值进行四舍五入。产生的驱动脉冲频率大小具有舍入误差，其大小不超过: (1/2)/NX10 0%(3)图4面板校制程序流程图开始初始化8255及8254等待并接收运转 指令数据计算分频值及脉冲数自动模式L手控模式轴的最 小分频 值N =9 0（ 0 轴），转 速最大 误差为0 .56%。3转台 控制系统的
10、软件设计停止结束图一5轴控模块程序流瑶图.1面板模块软件的设计面板模块程序流程图如图4所示。上电开始后，软件首先对AT89C52的内部寄 存器、液晶显示屏以及8 2 5 5并口进行初始化。程序用一个字节作为系统工作状态寄存器， 寄存器中各标志位分别记录串口以及面板的锁定及解锁情况以及各运转轴的当前运转方向 和高低速状态。液晶显示初始化设定LCD的显示边界及范围，以及清空液晶显示模块显存。 串行通讯的波特率定为9600bit/s。面板初始化完成后，软件将同时检测面板各按键信号并等待串口的中断信号，当检测 到一种信号后，将另一种信号屏蔽。在如轴（或0轴、（p轴）”键按下后，系统锁定在面 板工作方式
11、，并关闭串口中断。进入面板工作方式后，软件按流程执行转轴选择、模式设定、 参数设定、运转执行等功能。控制面板按键包括甲、0、p轴选择键，运转模式选择键，数 字键，确定、停止键以及手动控制键。读取控制面板按键信号后，将选取的运转轴、运转模 式以及设定的速度角度等参数记录于指定的寄存器中。待软件检测到“运行”键按下后，将 数据送入与相应轴通讯的8 2 5 5寄存器中，并将该8 2 5 5的C0位置高，通知轴控模块 读取。面板控制模块与上位计算机之间制定了串行通讯协议。串行通讯指令采用ASCII 码的形式，上位计算机指令和控制器返回信息都以“$”字符开头。面板模块检测到串口接 收到字符“$”时，则认
12、为上位计算机开始发送信息，信息以回车符结束。“$”后面是转 轴标识符，用“X”或“Y”或“Z”表示，分别对应肌0、p三个转轴。转轴标识符后第4页置制间枚面板控制模块依次为速度、转角、时间的ASCI I码表示值。程序将接收到的上位控制指 令中的ASCI I码参数值转换为轴控模块可识别的十六进制参数值，并发送 到相应的轴控模块。3.2轴控模块软件的设计子系统轴控模块程序流程图如图5所示。程序开始后先初始化8 2 5 5 各I/O 口和8 2 5 4各计数器的工作方式。软件通过查询8 2 5 5的CO 口，检测是否得到了由面板模块发送来的数据。轴控模块接收到面板模块发来 的指令后，将速度、角度数据经
13、计算转换成为8 2 5 4计数器O的分频值N和 计数器2所需要记录的脉冲数。参数转换完成后，程序根据设定指令进入相应 运转模式。当各转轴转速达到或超过1 /s时，为了使步进电机在有外加负载及 高速运转下不丢步，确保在高速启动或停止时保持稳定，程序对步进电机的高 速启动和停止进行了加减速控制。程序采用匀加减速方法。由式(1)可知，分频值N是角速 度3的反比例函数，设定31 = 1/s为加速过程的初始速度和减速过程的最终速度， 并设定加减速过程中每隔1 Oms速度差值3=1/s，所以有：N1=(A - f0)/3 1N2=(A f0)/3 2= (A f0)/23 1=N1/2Ni= ( f1)/
14、3 i= (A f0)/i3 1=N1/i即每经过1 Oms延时循环送给8 2 5 4定时器O的分频值Ni就是将3=1/ s对应的分频值N1除以当前的循环次数得到的。程序将每一步加减速送入8 2 5 4的Ni 值保存到起始地址为2OOOH的内存单元中，制成分频值Ni的数表。在加速过程中，依 次将分频值Ni送入 8 2 5 4计数器O中，一直到从数表中读入的分频数不大于设定速度对 应的分频值Nmax，并将Nmax作为最终分频值为止。减速过程则与加速过程相反。摘要：介绍了三轴惯性陀螺测试转台的工作方式及其控制系统的功能，研究了以8O51单 片机为系统控制核心的转台控制器的硬件及软件设计问题，提出了
15、采用8O51单片机及I ntel 8254定时/计数器对步进电机进行开环位置及速度控制的解决方案。关键词：陀螺测试转台单片机步进电机运动控制导航系统是飞行器的重要组成部分。惯性陀螺仪表普遍应用于各种类型的飞行器的导 航系统中，它反映了飞行器的飞行姿态以及其它重要导航信息，保证了人为或自动驾驶仪对 飞行器进行控制的安全性与准确性。为了确保惯性陀螺仪表工作的可靠性，需要对仪表进行 定期的校验，用测试转台测试陀螺仪表是比较常用的方法。某机场所使用的测试转台大部分 第5页存在老化严重以及功能单一的问题，尤其是部分转台还是老式的手动转台，很难保证校准精 度，所以需要研制新型数字化的低成本的高精度陀螺测试转台及其控制系统。1陀螺测试转台及其控制系统介绍陀螺测试转台主要由高精度转台及其控制系统组成。三轴转台由W轴转台、。轴转台、 轴转台三个子系统组成，分别实现三个轴的转动。各子系统由台体、驱动系统、转动系统 以及执行机构组成。选用步进电机作为各子系统驱动装置，经蜗轮蜗杆及齿轮减速后输出旋 转运动。转台的三个子系统中，e轴转台固定在中轴转台的转盘上，轴转台固定在e轴转 台的转盘上。将被测试陀螺仪表固定于轴转台
