基于MSP430F149單片機和步進電機實現(xiàn)三自由度模擬實驗臺的設計

引言

三自由度飛機飛行姿態(tài)模擬實驗臺是集機械技術、控制技術和傳感器檢測技術、計算機技術于一體的綜合性測試設備。它作為一種空間運動機構是飛機進行動態(tài)性能測試的關鍵設備，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用價值。

本文基于MSP430控制核心設計了一種三自由度模擬實驗臺，并完成了給定的任務要求。

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，其結構框圖如圖1所示。

基于MSP430F149單片機和步進電機實現(xiàn)三自由度模擬實驗臺的設計

轉臺的實時位置由旋轉編碼器反饋送入微處理器進行處理。步進電機采用PID算法進行調節(jié)，而直流無刷電機采用模糊控制算法。軟件設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)硬件設計

系統(tǒng)的硬件主要包括：主控電路、電源管理電路、電機驅動器和無線通信電路幾部分，其系統(tǒng)結構如圖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口用于接收旋轉編碼器的反饋信號；P2口為中斷口；P4用于驅動直流無刷電機的PWM信號輸出；P5口用于驅動步進電機的方波信號輸出；P6用于電機驅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給旋轉編碼器供電，12 V直接由交直流變壓器引出給驅動電路供電，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 電機驅動器

步進電機驅動器采用2605AD驅動器。2605AD為一款等角度恒力距細分型驅動器，驅動電壓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。

直流無刷電機采用控制驅動器，該驅動器為閉環(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矩，速度控制范圍為150r／s～額定轉速。

2．4 無線通信電路

通過串口驅動電路中的RS 232電平轉換芯片，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，價值設計容易、適應面寬，是過程控制中應用最廣泛的一類基本控制器。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定時，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)行機構可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調，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)三自由度轉臺的實際情況，在積分分離PID控制算法的基礎上進行算法的改進，結合增量式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。