三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

目錄摘 要iabstractii第一章 緒論11.1課題研究的背景與意義11.1.1無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介11.1.2 轉(zhuǎn)臺(tái)在航空領(lǐng)域中的作用21.2 現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺(tái)的研究方向21.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容3第二章 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)原理及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.1 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及原理42.2 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的原理52.3 無(wú)刷直流電機(jī)的選擇52.4 無(wú)刷直流電機(jī)傳遞函數(shù)模型72.5 無(wú)刷直流電機(jī)的pid控制9第三章 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)133.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)133.1.1 常用的測(cè)速方法143.1.2 數(shù)據(jù)采集原理153.2串口通信系統(tǒng)16第四章 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)214.1上位機(jī)控制軟件選取214.2 visual basic的功能特點(diǎn)214.3 visualbasic串行通信模塊224.4上位機(jī)控制軟件的主要功能234.5上位機(jī)軟件流程244.6軟件界面開(kāi)發(fā)26第五章 全文總結(jié)29參考文獻(xiàn)30附錄31一、visual basic程序31二、單片機(jī)程序35致謝38摘 要轉(zhuǎn)臺(tái)作為航空、航天等領(lǐng)域中進(jìn)行半實(shí)物仿真和測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，在飛行器的研制過(guò)程中起著極其重要的作用。轉(zhuǎn)臺(tái)的研究和制造對(duì)航空、航天工業(yè)和國(guó)防建設(shè)的發(fā)展具有重要的意義。本論文首先通過(guò)對(duì)三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及原理的認(rèn)識(shí)，本文設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng);并通過(guò)simulink環(huán)境對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。然后本文對(duì)at89s52單片機(jī)進(jìn)行了必要的介紹，并對(duì)at89s52單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了分析，還對(duì)單片機(jī)與pc機(jī)的通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后本文對(duì)上位機(jī)控制軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。pc機(jī)通過(guò)visual basic 6.0的mscomm控件與單片機(jī)之間建立通信協(xié)議。關(guān)鍵詞：三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)；無(wú)刷直流電機(jī)；仿真；數(shù)據(jù)采集；通信協(xié)議i中南大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 abstractturntable as a key equipment which is used to simulate and test the semi-objects in the aviation aerospace and other fields, plays an extremely important role in the aerocrafts development process. the research and manufacture on the turntable is of great significance to aviation and aerospace industry and the development of national defense. firstly, the thesis through the understanding of three-axle tables structure and principle, the thesis designed a servo control system of turntable. the speed control system of brushless dc motor was simulated through simulation environment.then, the thesis introduced at89s52 scm(single chip microcomputer), and analysed the data acquisition system of the at89s52 scm, and also designed the communication systems between pc and at89s52 scm.finally, the thesis designed the control software of pc. through mscomm control of visual basic 6.0, the communication protocols was established between pc and at89s52 scm.keywords: three-axle table; brushless dc motor; simulation; data acquisition; communication protocol ii中南大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第一章 緒論第一章 緒論1.1課題研究的背景與意義1.1.1無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicles ,uav) 是當(dāng)今世界上軍用武器發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。無(wú)人機(jī)通常是指無(wú)人駕駛、自主推進(jìn),由無(wú)線電遙控或自身程序控制, 利用空氣動(dòng)力承載飛行并可回收重復(fù)使用的飛行器。20 世紀(jì)60 年代初,美國(guó)首先將無(wú)人機(jī)用于軍事偵察,此后無(wú)人機(jī)先后參加了越南戰(zhàn)爭(zhēng)、中東戰(zhàn)爭(zhēng)、海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)及近期的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng),均發(fā)揮了重要作用。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,美國(guó)海軍在“威斯康星”和“密蘇里”號(hào)戰(zhàn)列艦上配置了多架“先鋒”艦載無(wú)人機(jī),這些無(wú)人機(jī)出動(dòng)500 多次執(zhí)行了情報(bào)偵察、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、目標(biāo)指示、戰(zhàn)損評(píng)估等任務(wù), 取得了不俗的戰(zhàn)績(jī)。科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中,北約再次使用了大量無(wú)人機(jī),美國(guó)的12架“掠奪者”無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)區(qū)實(shí)施了不間斷的偵察與監(jiān)視,為北約提供了大量的實(shí)時(shí)情報(bào)信息,美海軍的“先鋒”艦載無(wú)人機(jī)還多次承擔(dān)了戰(zhàn)損評(píng)估等任務(wù)。美國(guó)中空戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)“捕食者( predator) ”在對(duì)阿富汗的軍事行動(dòng)中,曾在12架該機(jī)上發(fā)射了115枚“海爾法”式反裝甲導(dǎo)彈,并為有人飛機(jī)投擲激光制導(dǎo)炸彈指示攻擊目標(biāo)525次,首開(kāi)了無(wú)人機(jī)用于攻擊作戰(zhàn)之先河。在伊拉戰(zhàn)爭(zhēng)中,無(wú)人偵察飛機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)上空不間斷“盤旋”,給前線指揮員提供了第一手的敵情畫(huà)面,發(fā)揮了通信中繼站的作用,將戰(zhàn)場(chǎng)上的圖像情報(bào)及通信信息傳送到作戰(zhàn)指揮中心。無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)方面遠(yuǎn)比有人機(jī)更具特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，因而也更有效。有人預(yù)言，無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)（ucav)將有可能成為21世紀(jì)空中作戰(zhàn)的新式武器，成為空中作戰(zhàn)的主導(dǎo)力量。還應(yīng)指出，除軍用外，無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域也有極為廣泛的應(yīng)用前景1。圖 1-1 “捕食者”號(hào)無(wú)人機(jī)1.1.2 轉(zhuǎn)臺(tái)在航空領(lǐng)域中的作用航空、航天工業(yè)的發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家的科技能力、經(jīng)濟(jì)實(shí)力和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志。航空、航天技術(shù)不但在國(guó)防領(lǐng)域中有舉足輕重的地位，在民用方面也有著重要的意義。慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)技術(shù)是航空、航天與航海領(lǐng)域里的一項(xiàng)核心技術(shù)，同步衛(wèi)星的準(zhǔn)確定位、人類成功登上月球、航天飛機(jī)的飛行成功、飛行器的準(zhǔn)確定位與自動(dòng)跟蹤等都采用了高精度的慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)技術(shù)。近年來(lái)發(fā)生的一些戰(zhàn)爭(zhēng)已證明飛行器在現(xiàn)代化武器裝備中日趨重要。隨著航空、航天與航海事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的工作精度也不斷地提出新的要求。航空轉(zhuǎn)臺(tái)仿真系統(tǒng)是國(guó)家航空航天領(lǐng)域設(shè)計(jì)和研制出新的飛行器后進(jìn)行試飛試航的前期模擬系統(tǒng)，是進(jìn)行半實(shí)物仿真和實(shí)現(xiàn)陀螺儀精確測(cè)試、標(biāo)定和檢驗(yàn)的必需工具，在飛行器的研制過(guò)程中起著極其重要的作用。三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)可以在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬飛行器在空中實(shí)際飛行時(shí)的各種姿態(tài)，復(fù)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)特征，從而對(duì)它們的制導(dǎo)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其相應(yīng)器件的性能進(jìn)行反復(fù)仿真和測(cè)試，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并據(jù)此對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)，達(dá)到總體設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)要求。仿真轉(zhuǎn)臺(tái)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真實(shí)驗(yàn)的逼真性和置信度，是保證航空、航天型號(hào)產(chǎn)品和武器系統(tǒng)的精度和性能的基礎(chǔ)。隨著飛行器型號(hào)的不斷更新，性能的日益提高，對(duì)導(dǎo)航和制導(dǎo)設(shè)備的性能和精度的要求也在不斷提高。這就給仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的整體制造水平提出了新的課題，也給轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求23。1.2 現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺(tái)的研究方向通過(guò)對(duì)法國(guó)wuilfert公司以及瑞士acutronics公司、美國(guó)的carco公司、ideal aerosmith公司，geniso公司、benton公司研制的測(cè)試設(shè)備的性能進(jìn)行比較來(lái)看，法國(guó)wuilfert公司的轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)品對(duì)現(xiàn)今轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀具有一定的代表性。wuilfert公司經(jīng)過(guò)四年的發(fā)展目前已成為歐洲運(yùn)動(dòng)模擬器領(lǐng)域的領(lǐng)先者，并在1998年成功對(duì)美國(guó)cgc公司70年代研制的53m2型三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了改型：使用新型高精度光學(xué)編碼器替代720對(duì)極感應(yīng)同步器和直流測(cè)速計(jì)以及應(yīng)用ddc數(shù)字控制方案代替以前的mpacs外部設(shè)備擁有圖形用戶界面，運(yùn)行環(huán)境為windowsnt，ieee488.2和rs232c，40位并行口，模擬輸入、輸出接口。由于歐洲航天界正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)重組，擴(kuò)大與美國(guó)航天界的競(jìng)爭(zhēng)，因此有必要通過(guò)對(duì)wuilfert公司產(chǎn)品的了解，以便我們對(duì)歐洲慣性技術(shù)的發(fā)展有著進(jìn)一步的了解4。wuilfert公司研制的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的主要產(chǎn)品，其機(jī)械臺(tái)體為鋼型材焊接機(jī)械軸系結(jié)構(gòu)，測(cè)角系統(tǒng)的角位置、角速率傳感器采用高分辨率、高穩(wěn)定性的高精度光學(xué)編碼器，驅(qū)動(dòng)元件采用大力矩、高轉(zhuǎn)速的高性能無(wú)刷力矩電機(jī)、控制系統(tǒng)采用純數(shù)字控制方案。由于編碼器和控制器只是作為pc機(jī)的一個(gè)外設(shè)，所以其轉(zhuǎn)臺(tái)的電氣系統(tǒng)成為一個(gè)真正的數(shù)字控制系統(tǒng)5。ilfe公司研制的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)從結(jié)構(gòu)上可分為單軸、雙軸和三軸系列，且都可以選裝溫控箱、真空箱設(shè)備；從精度指標(biāo)上分為二個(gè)等級(jí)；從功能上具有位置、速率、搖擺、振動(dòng)等功能。從歐洲轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r和美國(guó)一些公司的轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)品可以知道，在采用感應(yīng)同步器作為測(cè)角元件的轉(zhuǎn)臺(tái)與我國(guó)目前研制的轉(zhuǎn)臺(tái)的性能指標(biāo)相當(dāng)，但與采用高精度光學(xué)編碼器和采用感應(yīng)同步器與絕對(duì)光學(xué)編碼器混合使用作為測(cè)角元件的轉(zhuǎn)臺(tái)指標(biāo)還有一定的差距，并且純數(shù)字控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。因此,今后我國(guó)轉(zhuǎn)臺(tái)的研制應(yīng)該考慮朝以下幾個(gè)方面發(fā)展：67(1) 機(jī)械方面：加強(qiáng)高精度軸系、結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)臺(tái)框架的材料方面的研究，盡量減小軸系的晃動(dòng)，改善轉(zhuǎn)臺(tái)的對(duì)稱性和偏轉(zhuǎn)特性以及減輕框架軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(2) 驅(qū)動(dòng)元件：采用大力矩、高轉(zhuǎn)速無(wú)刷直流力矩電機(jī)或大力矩、高轉(zhuǎn)速交流力矩電機(jī)。盡量減小因摩擦力矩而造成的控制精度問(wèn)題。(3) 位置傳感器：采用高精度光學(xué)編碼器作為角位置傳感器，并且應(yīng)加快720對(duì)極感應(yīng)同步器的研制，提高系統(tǒng)角位置的分辨力。(4) 控制系統(tǒng)：研制ddc純數(shù)字控制系統(tǒng)，利用數(shù)字狀態(tài)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)消除漂移、誤差模型補(bǔ)償，完成基于現(xiàn)代控制理論的智能控制算法，提供被控軸的控制方式并且克服模擬元件產(chǎn)生的電磁干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的控制精度。(5) 可靠性和穩(wěn)定性：采用數(shù)字化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量控制系統(tǒng)，它是轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在并且這種系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、使用、檢測(cè)、維護(hù)都很方便，給用戶和轉(zhuǎn)臺(tái)研制單位都帶來(lái)極大的便利。(6) 檢測(cè)方法：深入超低速的速率精度和速率平穩(wěn)性、動(dòng)態(tài)測(cè)角精度檢測(cè)方法的研究。(7) 加強(qiáng)功能性專一的轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備的研究，降低多用性，使轉(zhuǎn)臺(tái)簡(jiǎn)化。避免多種功能集于一種轉(zhuǎn)臺(tái)的誤區(qū)。1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容本論文以實(shí)際課題為背景，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些理論和實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了分析研究。在該課題中我主要承擔(dān)三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制器的設(shè)計(jì)。論文研究的主要內(nèi)容如下：第1章 ：陳述了課題研究的背景和意義，指出了目前三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的研究方向。第2章 ：根據(jù)三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的原理，主要設(shè)計(jì)了三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)，由于普通上位機(jī)不適宜直接控制無(wú)刷直流電機(jī)，所以系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)。本章重點(diǎn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行了研究，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理、傳遞函數(shù)模型和無(wú)刷直流電機(jī)的pid控制進(jìn)行了詳細(xì)的分析。第3章 ：根據(jù)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制要求，選取at89s52單片機(jī)作為下位機(jī)控制器。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和串口通信系統(tǒng)。第4章 ：為方便控制軟件的界面設(shè)計(jì)以及與下位機(jī)控制器之間的通信設(shè)計(jì)，本文采用了visual basic 6.0作為上位機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。visual basic 6.0可以很方便的使用mscomm控件來(lái)完成與單片機(jī)之間的串口通信功能。4中南大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第二章 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)原理及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)原理及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及原理三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)主要由底座，內(nèi)環(huán)電機(jī)、內(nèi)框架、內(nèi)環(huán)軸，中環(huán)電機(jī)、中框架、中環(huán)軸，外環(huán)電機(jī)、外框架、外環(huán)軸等部分組成。其整體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)三維結(jié)構(gòu)圖三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)可以通過(guò)對(duì)其三個(gè)框架施以不同的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬飛行器在空中的各種飛行動(dòng)作和姿態(tài)。轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)、中、外三個(gè)框架分別復(fù)現(xiàn)飛行器的偏航、俯仰和橫滾運(yùn)動(dòng)，以便使安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的飛控系統(tǒng)敏感元件感受到飛行器在空中繞其重心的三自由度的角運(yùn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)臺(tái)既可用于標(biāo)定慣性敏感元件(如陀螺儀、加速度計(jì)等)，也可以用于對(duì)飛控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)8。三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)具有內(nèi)、中、外三個(gè)回轉(zhuǎn)自由度的萬(wàn)向框架，如圖2-2所示每個(gè)框架由一套驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)，負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。其中，外框架負(fù)責(zé)飛行器偏航姿態(tài)模擬，中框架負(fù)責(zé)飛行器俯仰姿態(tài)模擬，內(nèi)框架負(fù)責(zé)飛行器自旋轉(zhuǎn)模擬。三個(gè)框架組合運(yùn)動(dòng)，便可以模擬飛行器在空中的各種飛行姿態(tài)9。圖2-2三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)示意圖2.2 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的原理由于普通上位計(jì)算機(jī)不適宜直接控制電機(jī)，所以系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)。總體控制原理方案如圖2-3所示。圖2-3 系統(tǒng)總體控制原理方案1、綜合管理級(jí)(上位機(jī))上位機(jī)由普通pc機(jī)構(gòu)成，形成轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的集中監(jiān)控、綜合管理級(jí)。主要完成系統(tǒng)的指令下達(dá)、綜合管理、性能檢測(cè)、安全保護(hù)及數(shù)據(jù)處理等功能。利用上位機(jī)控制軟件可以直接從鍵盤輸入控制指令和修改系統(tǒng)參數(shù)，并能接收顯示轉(zhuǎn)臺(tái)的各種狀態(tài)信息。2、直接控制級(jí)(下位機(jī))下位機(jī)是轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的直接控制級(jí)，構(gòu)成轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)、中、外框三個(gè)獨(dú)立的控制回路。下位機(jī)控制器直接驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并能夠接收來(lái)自編碼器反饋回來(lái)的三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)位置、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向信息，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。上、下位機(jī)之間可以通過(guò)串口來(lái)完成通信任務(wù)。2.3 無(wú)刷直流電機(jī)的選擇轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)對(duì)所用的電機(jī)要求如下：（1） 靈活方便控制，定位準(zhǔn)確精度高。（2） 可靠性高。（3） 響應(yīng)快，換向性能好。（4） 體積小。根據(jù)同組的王清波同學(xué)對(duì)三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可知，三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)、外、中框選用了faulhaber公司的無(wú)刷直流電機(jī)。由于三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架工作原理相同，本文以內(nèi)框架控制設(shè)計(jì)為例，內(nèi)框無(wú)刷直流電機(jī)型號(hào)為2444 024b。無(wú)刷直流電機(jī)采用方波勵(lì)磁形式，提高了永磁材料的利用率，減小了電機(jī)體積，增大了電機(jī)出力，具有高效率、高可靠性的特點(diǎn)，同時(shí)還具有良好的調(diào)速特性，易于控制及響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)10。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-4所示。它主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)相似，但沒(méi)有籠形繞組和其它氣動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2p = 2,4,)組成。圖2-4中的電動(dòng)機(jī)本體為三相兩極。三相定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件相聯(lián)接，在圖2-4中的a相、b相、c相繞組分別與功率開(kāi)關(guān)管v1, v2, v3相接。位置傳感器負(fù)責(zé)跟蹤轉(zhuǎn)子并與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變換成電信號(hào)，控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化按一定的次序換相11。由于電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的作用。圖2-4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖因此，所謂無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開(kāi)關(guān)線路，永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者組成的“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。其原理框圖如圖2-5所示。圖2-5 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理框圖電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的永久磁鋼與永磁有刷電動(dòng)機(jī)中所使用的永久磁鋼作用相似，均在電動(dòng)機(jī)氣隙中建立足夠的磁場(chǎng)，其不同之處在于:直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中永久磁鋼裝在轉(zhuǎn)子上，而直流有刷電動(dòng)機(jī)的永久磁鋼裝在定子上12。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電子開(kāi)關(guān)線路用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間，主要由功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩個(gè)部分組成。功率邏輯單元是控制電路的核心，其功能是將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子上的各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通順序和時(shí)間主要取決于轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)13。2.4 無(wú)刷直流電機(jī)傳遞函數(shù)模型傳遞函數(shù)是控制理論最重要的概念之一，研究無(wú)刷直流電機(jī)的傳遞函數(shù)，對(duì)分析電機(jī)工作特性和設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)都具有指導(dǎo)意義。和傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)相比，無(wú)刷直流電機(jī)需要根據(jù)轉(zhuǎn)子的不同位置來(lái)給對(duì)應(yīng)相的電樞繞組通電，其相數(shù)常被設(shè)計(jì)為三相或者多相。但是對(duì)每一相導(dǎo)通的電樞繞組而言，其反電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩生成的原理和過(guò)程與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)完全類似，所以分析過(guò)程也相似。傳遞函數(shù)的推導(dǎo)以三相全橋驅(qū)動(dòng)、定子繞組兩兩通電方式位例。此時(shí)每?jī)上喽ㄗ永@組導(dǎo)通的狀態(tài)持續(xù)60電角，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的每個(gè)電氣周期歷經(jīng)6次換相。換相過(guò)程中由于二極管續(xù)流作用，三相繞組均有電流流通。當(dāng)關(guān)斷相的電流減小為0時(shí)，二極管停止續(xù)流，此時(shí)換相過(guò)程結(jié)束，電機(jī)處在新的兩相導(dǎo)通狀態(tài)。換相過(guò)程引起換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，是無(wú)刷直流電機(jī)重要的動(dòng)態(tài)過(guò)程。但是由于其持續(xù)時(shí)間相對(duì)很短，對(duì)電氣量的有效值影響較小，因此在穩(wěn)態(tài)分析和傳遞函數(shù)推導(dǎo)中將其忽略以簡(jiǎn)化計(jì)算。近似認(rèn)為僅有兩相繞組導(dǎo)通，其電流大小相等、方向相反1415。無(wú)刷直流電機(jī)的等效電路如圖2-6所示：直流母線電壓（v）繞組線電阻（）繞組等效線電感（h）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（v）電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（n.m） 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）黏滯摩擦系數(shù)（）流過(guò)電樞的電流（a）電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)角（rad）圖2-6無(wú)刷直流電機(jī)兩相繞組通電時(shí)的等效電路根據(jù)基爾霍夫定律和牛頓第二定律可得出無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型（空載）如下：1、 電磁的轉(zhuǎn)矩與電流成正比： (2-1) 2、 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電樞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小和磁場(chǎng)的強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)動(dòng)的速度成正比，當(dāng)磁場(chǎng)一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和成正比： (2-2)3、 電機(jī)的速度取決于電樞兩端的電壓，電機(jī)的電氣關(guān)系如下： (2-3)4、 轉(zhuǎn)矩的平衡方程： （t為外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩） (2-4)綜合方程（1）、（2）、（3）、（4）得到電機(jī)的基本方程如下： (2-5) (2-6) (2-7)由方程（5）、（6）、（7）可得： (2-8)方程（8）經(jīng)拉普拉斯變換可得電機(jī)位置傳遞函數(shù)： (2-9)由方程（9）可得電機(jī)速度傳遞函數(shù)： (2-10)根據(jù)上述推導(dǎo)過(guò)程，可建立無(wú)刷直流電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-7所示。kmke u(s)i(s)tg(s)(s) - ea(s)圖2-7 無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.5 無(wú)刷直流電機(jī)的pid控制本文對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)采用pid( proportional integral derivative)控制，pid控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。pid控制是將偏差的比例（proportion）、積分（integral）和微分（differential）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制16。常規(guī)的模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-8所示。該系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對(duì)象組成。圖中，r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t)： e(t)=r(t)-y(t) (2-12)e(t)作為pid控制的輸入，u(t)作為pid控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。所以模擬pid控制器的控制規(guī)律為 (2-13)其中：控制器的比例系數(shù) 控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù) 控制器的微分時(shí)間，也稱微分系數(shù)比例積分微分被控對(duì)象r（t) u(t) y(t) - 圖2-8 pid控制系統(tǒng)原理圖pid控制的傳遞函數(shù) (2-14)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的關(guān)系： (2-15)在低頻段，主要是pi控制規(guī)律起作用，提高系統(tǒng)型別，消除或減少穩(wěn)態(tài)誤差；在中高頻段主要是pd規(guī)律起作用，增大截止頻率和相角裕度，提高響應(yīng)速度。因此，控制器可以全面地提高系統(tǒng)的控制性能17。比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間作出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)，比例系數(shù)越大，控制作用越強(qiáng)，則過(guò)渡過(guò)程越快，控制過(guò)程的靜態(tài)偏差也就越小；但是越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系數(shù)必須選擇恰當(dāng)，才能達(dá)到過(guò)渡時(shí)間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。 積分部分可以消除或減小系統(tǒng)的偏差,使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到改善。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過(guò)渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩；但是增大積分常數(shù)會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，消除偏差所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)較小時(shí)，則積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過(guò)消除偏差所需的時(shí)間較短。所以必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來(lái)確定。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化,它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)（變化速度）進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)髙階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感，對(duì)那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。微分部分的作用由微分時(shí)間常數(shù)決定。當(dāng)越大時(shí)，則它抑制偏差變化的作用越強(qiáng)；越小時(shí)，則它反抗偏差e(t)變化的作用越弱。微分部分顯然對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作用。適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù)，可以使微分作用達(dá)到最優(yōu)。將無(wú)刷直流電機(jī)參數(shù)帶入公式（2-10）可得無(wú)刷直流電機(jī)的速度傳遞函數(shù)，無(wú)刷直流電機(jī)的速度pid控制框圖如圖2-9所示。圖2-9 速度控制系統(tǒng)的仿真框圖圖2-9系統(tǒng)在simulink環(huán)境下的仿真1819結(jié)果如圖2-10所示。p=6i=6.5d=1圖2-10 速度系統(tǒng)仿真圖13中南大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第三章 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)給的實(shí)現(xiàn)第三章 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)本文選取at89s52單片機(jī)作為下位機(jī)控制器。無(wú)刷直流電機(jī)控制原理圖如圖3-1所示。at89s52是一種低功耗、高性能coms 8位微控制器，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)。at89s52單片機(jī)還內(nèi)置wdt看門狗定時(shí)器。52單片機(jī)與51單片機(jī)相比，不僅存儲(chǔ)容量增大，而且還增加16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器t2，若t2用作波特率發(fā)生器可容易獲得較高的通信速率20。圖3-1 無(wú)刷直流電機(jī)控制原理圖at89s52單片機(jī)作為下位機(jī)控制器主要完成以下工作：（1） 通過(guò)串口完成與上位機(jī)的通信、接受設(shè)備隨動(dòng)控制指令，發(fā)送采集的數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。（2） 根據(jù)光電編碼器輸出的信息，實(shí)現(xiàn)變m/t法測(cè)速；利用i/o口通過(guò)編程直接輸出pwm信號(hào)至功放電路，控制無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行，完成速度環(huán)和位置環(huán)的閉環(huán)控制。（3） 上位機(jī)送來(lái)的速度環(huán)或位置環(huán)的參數(shù)，由at89s52自動(dòng)完成對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制，進(jìn)而控制三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)。3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)各框架數(shù)據(jù)的精確采集，本文使用光電編碼器作為數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件。光電編碼器是一種角度（角速度）檢測(cè)裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠，接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框同軸（以內(nèi)框?yàn)槔妱?dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與內(nèi)框架同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖3-2所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)框架的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90的兩路脈沖信號(hào)。圖3-2 光電編碼器工作原理示意圖3.1.1 常用的測(cè)速方法常用的測(cè)速方法有3種：分別為t法、m法、和m/t法。t法時(shí)通過(guò)計(jì)量編碼器兩相鄰脈沖的時(shí)間間隔來(lái)確定轉(zhuǎn)速，該方法在轉(zhuǎn)速高時(shí)準(zhǔn)確性較差，一般適用于速度比較低的場(chǎng)合，m法時(shí)通過(guò)測(cè)量一段固定時(shí)間內(nèi)編碼器的脈沖數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速，適合于高速場(chǎng)合，而m/t法則是前兩種方法的結(jié)合，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都有較好的準(zhǔn)確性。但在低速時(shí)為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，該方法需要較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間，這樣就無(wú)法滿足轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，因而又出現(xiàn)了變m/t測(cè)速法。變m/t測(cè)速法原理如圖3-3所示21。所謂變m/t法，是指測(cè)速過(guò)程中，既檢測(cè)光電編碼器計(jì)數(shù)脈沖,還同時(shí)檢測(cè)高頻時(shí)鐘脈沖，檢測(cè)時(shí)間t始終等于個(gè)脈沖信號(hào)周期之和。個(gè)數(shù)可預(yù)置，但顯然檢測(cè)時(shí)間t不是固定的，t隨著轉(zhuǎn)速的升高而減少。變m/t法測(cè)量原理如圖3-3所示。其中測(cè)量時(shí)間t由高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)取，即,為高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值，為高頻時(shí)鐘周期。設(shè)內(nèi)框架每轉(zhuǎn)發(fā)出d個(gè)光電編碼脈沖，以四倍頻為例：四倍頻后每轉(zhuǎn)得到4d個(gè)測(cè)速脈沖，則對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為。由此可以得到變m/t法的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框架每分鐘轉(zhuǎn)速測(cè)量值計(jì)算公式： (rpm) (2-16)據(jù)此計(jì)算出三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框架的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。隨著內(nèi)框架轉(zhuǎn)速的升高，檢測(cè)時(shí)間t相應(yīng)變短，轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)時(shí)性也隨著提高，用變m/t法實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速測(cè)量能夠滿足控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性的要求。圖3-3 變m/t法測(cè)速原理3.1.2 數(shù)據(jù)采集原理采用光電編碼器完成反饋控制的原理如圖3-4所示。光電編碼器與三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框架主軸直接聯(lián)接，從而使編碼器轉(zhuǎn)速與內(nèi)框架完全一致。其工作原理是：光電編碼器隨內(nèi)框架旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的兩相（a相、b相）相差90相位角的正交編碼脈沖。如果a相脈沖比b相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn)，否則為反轉(zhuǎn)。a線用來(lái)測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，b線與a線配合可測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)方向，由此可測(cè)出三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框架的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。光電編碼器在低速時(shí)輸出脈沖數(shù)較少，按一般的方法應(yīng)用很難保證精確性。為了提高測(cè)量精度和分辨率，除選用高分辨率的光電編碼器外，還可以將編碼器的輸出脈沖進(jìn)行多倍頻細(xì)分，再有計(jì)數(shù)器對(duì)產(chǎn)生的多倍頻脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過(guò)測(cè)量時(shí)間t和在時(shí)間t內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)值m，計(jì)算后就可以確定內(nèi)框架的轉(zhuǎn)速。速度給定數(shù)據(jù)由主控計(jì)算機(jī)送來(lái)，與實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)相比較，控制系統(tǒng)根據(jù)比較結(jié)果輸出控制參數(shù)，完成速度反饋的閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路圖如圖3-5所示。圖3-4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖圖3-5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路圖3.2串口通信系統(tǒng)單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，單片機(jī)和pc的通信時(shí)通過(guò)單片機(jī)的串口和pc機(jī)之間的硬件連接實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)從一個(gè)i/o引腳逐位傳輸一系列二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)，就是串行通信，即“串行通信”時(shí)指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間使用一根數(shù)據(jù)信號(hào)線，數(shù)據(jù)在信號(hào)線上一位一位地進(jìn)行傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一根固定的時(shí)間長(zhǎng)度。使用單片機(jī)自身帶有的串口可以很方便的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和pc機(jī)之間的串行通信。串行通信的優(yōu)點(diǎn)在于遠(yuǎn)程通信和上下位機(jī)通信，缺點(diǎn)在于通信速度較慢。at89s52單片機(jī)是通過(guò)自身的串口完成通信，該串口時(shí)一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口，用作異步通信方式（uart），與串行傳送信息的外部設(shè)備相連。微機(jī)通信使用rs-232通信協(xié)議，rs-232標(biāo)準(zhǔn)全稱是eia-rs-232c標(biāo)準(zhǔn)，是美國(guó)eia（電子工業(yè)協(xié)會(huì)）與bell公司開(kāi)發(fā)的，它適合于在數(shù)據(jù)傳輸率為0-20000bit/s范圍內(nèi)的通信222324。單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、抗干擾性好等特點(diǎn)，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中常用在操作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制。但由于其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)處理能力較低，通過(guò)通信和pc機(jī)相連，把采集到的數(shù)據(jù)傳送到pc機(jī)上，再在pc機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)和pc串口的三個(gè)引腳（rdx、txd、gnd）分別連接在一起，即pc和單片機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)txd與接收數(shù)據(jù)rxd交叉連接，兩者的地線gnd直接相連。由于單片機(jī)的ttl邏輯電平和rs-232c的電氣特性完全不同，rs-232c的邏輯0電平規(guī)定為+5v+15v之間，邏輯1電平為-5v-15v之間，因此將pc機(jī)和單片機(jī)的rxd和txd交叉連接時(shí)必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這里選用max232電平轉(zhuǎn)換芯片。單片機(jī)和pc機(jī)的串口通信原理如圖3-6所示2526。上、下位機(jī)串口通信電路圖如圖3-7所示。圖3-6 串口通信原理方案圖3-7 串口通信電路圖本文設(shè)計(jì)的串行通信采用中斷方式響應(yīng)通信中斷標(biāo)志ti和ri，單片機(jī)的工作狀態(tài)受控于pc機(jī)發(fā)出的指令。對(duì)單片機(jī)的異步串行接口（usart）的初始化使用以下語(yǔ)句完成。 mov rcap2h, #0ffh ; 設(shè)定重裝常數(shù) mov rcap2l, #0d9h ; 12mhz，波特率為9600b/s mov th2,rcap2h ; 設(shè)定t2計(jì)數(shù)初值 mov tl2, rcap2l; mov t2con,#30h; 設(shè)置t2為波特率發(fā)生器 mov scon,#50h ; 設(shè)定串行口模式1（n,8,1),允許接收 setb tr2 ; 啟動(dòng)t2運(yùn)行 setb es ; 開(kāi)串行口中斷 setb ea ; 開(kāi)總中斷通信測(cè)試子程序用下列語(yǔ)句完成。rec : mov a, sbuf cjne a,#41h ,endr; mov sbuf, a ; 相等，則回復(fù)pc機(jī)，成功通信；不相等，告訴pc通信出錯(cuò) jnb ti , $ clr ti clr ri retendr: clr ri ret單片機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖3-8所示。光電編碼器把檢測(cè)到框架的轉(zhuǎn)向、位置和速度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。單片機(jī)再通過(guò)光電編碼器采集到框架的轉(zhuǎn)向、位置和速度信息，然后再通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。圖3-8 數(shù)據(jù)采集主程序流程圖串口中斷服務(wù)子程序如同3-9所示。串口中斷服務(wù)子程序主要完成數(shù)據(jù)的發(fā)生和接受工作。圖3-9 串口中斷服務(wù)子程序 21中南大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第四章 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)第四章 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)4.1上位機(jī)控制軟件選取為了方便設(shè)計(jì)，選取visual basic6.0作為上位機(jī)控制編程軟件。visual basic 6.0的程序開(kāi)發(fā)界面是可視化的圖形界面，開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序也是windows圖形界面程序。在可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境中，編程時(shí)一種更輕松、愉快和高效的智力活動(dòng)。 visual basic的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境主窗口如圖4-1所示：圖4-1 vb的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境主窗口4.2 visual basic的功能特點(diǎn)（1）具有基于對(duì)象的可視化設(shè)計(jì)工具用傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序時(shí)，都是通過(guò)編寫程序代碼來(lái)設(shè)計(jì)用戶界面，在設(shè)計(jì)過(guò)程中看不到界面的實(shí)際顯示效果，必須編譯后運(yùn)行程序才能觀察。如果對(duì)界面的效果不滿意，還要回到程序中修改。有時(shí)候，這種編程-編譯-修改的操作可能要反復(fù)多次，大大影響了軟件開(kāi)發(fā)效率。visual basic提供了可視化設(shè)計(jì)工具，把windows界面設(shè)計(jì)的復(fù)雜性“封裝”起來(lái)，開(kāi)發(fā)人員不必為界面設(shè)計(jì)而編寫大量程序代碼。只需要按設(shè)計(jì)要求的屏幕布局，用系統(tǒng)提供的工具，在屏幕上畫(huà)出各種“部件”，即圖形對(duì)象，并設(shè)置這些圖形對(duì)象的屬性。visual basic自動(dòng)產(chǎn)生界面設(shè)計(jì)代碼，程序設(shè)計(jì)人員只需要編寫實(shí)現(xiàn)程序功能的那部分代碼，從而可以大大提高程序設(shè)計(jì)的效率。4.0版以后的visual basic支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，但它與一般的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言(c+)不完全相同。在一般的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言中，對(duì)象由程序代碼和數(shù)據(jù)組成，是抽象的概念；而visual basic則是應(yīng)用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，把程序和數(shù)據(jù)封裝起來(lái)作為一個(gè)對(duì)象，并為每個(gè)對(duì)象賦予應(yīng)有的屬性，使對(duì)象成為實(shí)在的東西。在設(shè)計(jì)對(duì)象時(shí)，不必編寫建立和描述每個(gè)對(duì)象的程序代碼，而是用工具畫(huà)在界面上，visual basic自動(dòng)生成對(duì)象的程序代碼并封裝起來(lái)。每個(gè)對(duì)象以圖形方式顯示在界面上，都是可視的。（2）事件驅(qū)動(dòng)編程機(jī)制visual basic通過(guò)事件來(lái)執(zhí)行對(duì)象的操作。一個(gè)對(duì)象可能會(huì)產(chǎn)生多個(gè)事件，每個(gè)事件都可以通過(guò)一段程序來(lái)響應(yīng)。例如，命令按鈕是一個(gè)對(duì)象，當(dāng)用戶單擊該按鈕時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)“單擊“(click)事件，而在產(chǎn)生該事件時(shí)將執(zhí)行一段程序，用來(lái)實(shí)現(xiàn)指定的操作。在用visual basic設(shè)計(jì)大型應(yīng)用軟件時(shí)，不必建立具有明顯開(kāi)始和結(jié)束的程序，而是編寫若干個(gè)微小的子程序，即過(guò)程。這些過(guò)程分別面向不同的對(duì)象，由用戶操作引發(fā)某個(gè)事件來(lái)驅(qū)動(dòng)完成某種特定的功能，或者由事件驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用通用過(guò)程來(lái)執(zhí)行指定的操作，這樣可以方便編程人員，提高效率。（3）提供了易學(xué)易用的應(yīng)用程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境在visual basic集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，用戶可以做下面所有的事情：設(shè)計(jì)界面、編寫代碼、調(diào)試程序、編譯源程序?yàn)榭蓤?zhí)行程序，以及制作應(yīng)用程序用戶安裝盤，以便安裝到其他沒(méi)有安裝visual basic的windows機(jī)器上運(yùn)行程序。所謂“集成”二字的含義就是將上述一切功能整合到一個(gè)環(huán)境整中。（4) 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言visual basic是在basic語(yǔ)言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)句結(jié)構(gòu)，接近于自然語(yǔ)言和人類的邏輯思維方式。visual basic語(yǔ)句簡(jiǎn)單易懂，其編輯器支持彩色代碼，可自動(dòng)進(jìn)行語(yǔ)法錯(cuò)誤檢查，同時(shí)具有功能強(qiáng)大且使用靈活的調(diào)試器和編譯器。visual basic是解釋型語(yǔ)言，在輸入代碼的同時(shí)，解釋系統(tǒng)將高級(jí)語(yǔ)言分解翻譯成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的機(jī)器指令，并判斷每個(gè)語(yǔ)句的語(yǔ)法錯(cuò)誤。在設(shè)計(jì)visual basic程序的過(guò)程中，隨時(shí)可以運(yùn)行程序，而在整個(gè)程序設(shè)計(jì)好之后，可以編譯生成可執(zhí)行文件(.exe)，脫離visual basic環(huán)境，直接在windows環(huán)境下運(yùn)行27。4.3 visualbasic串行通信模塊三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上位機(jī)控制軟件的核心是串行通信模塊，它的基本功能是實(shí)現(xiàn)上位pc機(jī)與下位機(jī)控制器之間的串行通信。整個(gè)軟件系統(tǒng)是在windows xp操作系統(tǒng)下使用vb編寫的，所以我們可以很方便的使用visual basic 6.0中的mscomm控件來(lái)完成串口通信功能。mscomm控件屬性2829：commport：設(shè)置并返回通信端口號(hào)。有效端口號(hào)為1 到16 的任何整數(shù)，必須在打開(kāi)端口前設(shè)置commport 屬性。設(shè)置方法：object. commport=1。settings：以字符串的形式設(shè)置或返回串口通信參數(shù)。波特率：一般取110、300、600、1200、2400、9600、14400、19200、28800、38400 等；奇偶校驗(yàn)：e- 偶校驗(yàn)、o- 奇校驗(yàn)、n- 無(wú)校驗(yàn)；數(shù)據(jù)位數(shù)：4、5、6、7、8；停止位數(shù)：1、1.5、2。設(shè)置格式：object.settings = 9600,n,8,1。portopen：設(shè)置或返回串口狀態(tài)。在開(kāi)始使用所設(shè)置的通信端口之前，必須先設(shè)置通信連接端口的狀態(tài)，且在使用完畢之后，必須再執(zhí)行關(guān)閉的動(dòng)作。其打開(kāi)應(yīng)設(shè)置方式：mscomm1.portopen=ture，關(guān)閉則設(shè)置mscomm1.portopen = false。inputmode：設(shè)置和返回input 屬性取回的數(shù)據(jù)類型。inputmode 設(shè)為cominputmodetext 時(shí)，取回?cái)?shù)據(jù)的格式為字符串， 設(shè)為cominputmodebinary 時(shí)，取回?cái)?shù)據(jù)的格式為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的數(shù)組。inputlen：設(shè)置或返回一次從接收緩沖區(qū)中讀取字節(jié)數(shù)。inbuffersize：設(shè)置或返回接收緩沖區(qū)的大小，缺省值為1024字節(jié)。inbuffercount：設(shè)置或返回接收緩沖區(qū)中等待計(jì)算機(jī)接收的字符數(shù)。input：從接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并清空該緩沖區(qū)，該屬性設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)效，運(yùn)行時(shí)只讀。outbuffersize：設(shè)置或返回發(fā)送緩沖區(qū)的大小，缺省值為512字節(jié)。outbuffercount：設(shè)置或返回發(fā)送緩沖區(qū)中等待計(jì)算機(jī)發(fā)送的字符數(shù)。output：向發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，該屬性設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)效，運(yùn)行時(shí)只讀。rthreshold：該屬性為一閥值。當(dāng)接收緩沖區(qū)中字符數(shù)達(dá)到該值時(shí)，mscomm控件設(shè)置commevent屬性為comevreceive，并產(chǎn)生oncomm事件。用戶可在oncomm事件處理程序中進(jìn)行相應(yīng)處理。若rthreshold屬性設(shè)置為0，則不產(chǎn)生oncomm事件。例如用戶希望接收緩沖區(qū)中達(dá)到一個(gè)字符就接收一個(gè)字符，可將rthreshold設(shè)置為1。這樣接收緩沖區(qū)中接收到一個(gè)字符，就產(chǎn)生一次oncomm事件。sthreshold：該屬性亦為一閥值。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中字符數(shù)小于該值時(shí)，mscomm控件設(shè)置commevent屬性為comevsend，并產(chǎn)生oncomm事件。若sthreshold屬性設(shè)置為0，則不產(chǎn)生oncomm事件。要特別注意的是僅當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中字符數(shù)小于該值的瞬間才產(chǎn)生oncomm事件，其后就不再產(chǎn)生oncomm事件。例如sthreshold設(shè)置為3，僅當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中字符數(shù)從3降為2時(shí)，mscomm控件設(shè)置commevent屬性為comevsend，同時(shí)產(chǎn)生oncomm事件，如發(fā)送緩沖區(qū)中字符始終為2，則不會(huì)再產(chǎn)生oncomm事件。這就避免了發(fā)送緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)未發(fā)送完就反復(fù)發(fā)生oncomm事件。commevent：這是一個(gè)非常重要的屬性。該屬性設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)效，運(yùn)行時(shí)只讀。一旦串口發(fā)生通信事件或產(chǎn)生錯(cuò)誤，依據(jù)產(chǎn)生的事件和錯(cuò)誤，mscomm控件為commevent屬性賦不同的代碼，同時(shí)產(chǎn)生oncomm事件。用戶程序就可在oncomm事件處理程序中針對(duì)不同的代碼，進(jìn)行相應(yīng)的處理。4.4上位機(jī)控制軟件的主要功能為了便于維護(hù)和擴(kuò)充控制功能，三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的上位機(jī)控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)的思想。在對(duì)三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制的同時(shí)，可實(shí)時(shí)采集其三個(gè)框架的位置、速度、狀態(tài)信息，并能夠以數(shù)據(jù)和圖表的形式直觀的顯示在系統(tǒng)的上位pc機(jī)顯示器上。三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上位機(jī)控制軟件的主要功能有：1、 通信：通過(guò)串行rs一232通信接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上位pc機(jī)與下位機(jī)控制器之間的通信功能。2、 自檢：在三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行檢測(cè)，并能顯示自檢結(jié)果。3、 控制模式：控制模式分為速度模式、位置模式和自動(dòng)模式，用戶可以根據(jù)某一具體要求選擇不同的控制模式。待工作狀態(tài)設(shè)定后，系統(tǒng)便可以在此工作狀態(tài)下完成相應(yīng)的操作。4、 數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)、速度和位置信息。5、 故障報(bào)警：上位機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行報(bào)警。6、 危險(xiǎn)應(yīng)急處