三自由度转台的设计与实现

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。
关键词：三自由度转台；MSP430单片机；模糊控制；PID控制

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。

3 控制策略
3．1 步进电机控制策略
    常规PID控制器具有算法简单、稳定性好、可靠性高的特点，价值设计容易、适应面宽，是过程控制中应用最广泛的一类基本控制器。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在生产中是绝对不允许的。积分分离控制室当被控制量与设定值偏差较大时，取消积分作用；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。根据三自由度转台的实际情况，在积分分离PID控制算法的基础上进行算法的改进，结合增量式PID控制算法进行电机的控制，实验得到了很好的控制效果。
3．2 直流无刷电机控制策略
    模糊PID控制器的原理是把输入PID调节器的偏差e和偏差变化率ec同时输入到模糊控制器中。图中的F控制器实际上是由三个分模糊控制器组成的，分别对三个参数进行调节，然后分别经过模糊化、近似推理和清晰化后，把得出的修正量分别输入PID调节器中，对三个系数进行实时在线修正，从而使被控对象具有良好的动态和静态性能。

4 结论
    本文以MsP430F149单片机为主控芯片，步进电机和直流无刷电机为驱动元件，通过软件编程，制作了一台精度相对较高的三自由度转台。经过对转台的旋转控制，证明转台能平稳、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。
    三自由度转台不仅在航空、航天和航海等国防军事领域中有很高的应用价值，而且在民用领域也有非常广泛的应用前景，但是要达到人们要求的高精度、高智能化还有很长的路要走，需要坚持不懈的探索和研究。