三自由度转台的设计与实现

　　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。

　　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。