飞行模拟转台设计.docx

飞行模拟转台设计.docx

《飞行模拟转台设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《飞行模拟转台设计.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

飞行模拟转台设计

1.绪论

1.1选题的依据及意义

随着飞机和导弹的快速发展，要求其具有更高的性能和稳定性,这就要我们通过对他们的性能参数进行测量评估进而进行改进，但一架真正的飞机或一枚导弹的成本太高,我们不可能也没有必要用一架真正的飞机或导弹来进行实验采集数据,这就要求我们采用一些比较合理的实验装置来实现飞机或导弹的飞行状态，这样飞行模拟实验转台得以发展。

该转台可以将重物放在其上面也可以用来对飞行员进行培训，因为它可以模拟飞机在空中飞行的各种姿态。

该装置的出现既达到了对飞机或导弹性能参数的采集，进而改进，在成本上远远低于一架飞机或导弹的价格，对飞机和导弹的发展具有不可估量的价值。

1.2国内外研究概况及发展趋势

目前,大部分飞行模拟转台采用串联式机构,而本设计则采用并联式机械机构来实现的。

采用并联机构其承载能力大,机构简单。

本机构由上下两个工作平台,下平台固定在地面上,上平台用来放待实验的物品,在上下平台之间采用三个液压缸连接,通过液压缸上声高度的不同,来实现上平台的倾斜,而上平台可由电动机带动旋转从而达到模拟飞机在飞行过程中的各种状态。

飞行模拟器研制及应用被认为是飞行模拟技术发展的基础性工程和关键环节，一直受到世界各国尤其是发达国家的高度重视。

美国是世界上最早开展飞行模拟器研究和应用的国家，在技术和数量上一直居领先地位。

据统计，美国的飞行模拟器研制和采办费用每年增长一倍，仅1995年～2000年的费用就高达36亿美元。

俄罗斯同样是世界上的飞行模拟大国和强国，他们的所有飞机都配备有相应的飞行模拟器，仅空中飞行模拟器就有20余种，其中包括先进的空地综合飞行模拟系统。

值得提出的是，俄罗斯在飞行模拟器的基础理论研究，特别是人-机工效学和飞行员建模与仿真等方面都名列前茅。

英、德、法等国的飞行模拟器研制及应用也始终处于世界先进行列。

我国在飞行模拟器研制及应用方面虽然起步比美、俄、英法等国较晚，但仍是世界上发展飞行模拟器较早的国家。

于20世纪60年代开始使用射击练习器和仪表飞行练习器，并建立了研究用飞机控制系统模拟试验台、航空发动机模拟试验台。

20世纪80年代发展更快，先后研制成功了一系列研制用飞行模拟器和工程用飞行模拟器，并普及设计、制造和使用了各个机种的飞行模拟训练器。

出此，我国还是世界上少数能够设计和建造空中飞行模拟器的国家之一，所以可堪称为“飞行模拟器大国”。

2.单片机控制系统设计

飞行模拟实验转台的控制系统可以是微机、单片机、可编程控制器等，考虑到本次设计的飞行模拟实验转台仅有3个液压缸和一个电动机，控制器需要进行的运算量不大，而且本系统提供的功能并不复杂，单片机MCS-51足以。

所以从节省成本的角度出发选择了单片机控制系统。

将本次单片机的控制系统划分为以下几个模块：

图2-1单片机模块图

2.1单片机的选用及功能介绍

MCS-51系列单片机是美国INTEL公司在1980年推出的8位单片微型计算机。

其典型产品有8031、8051和8751三种机型，除片内程序存储器的容量不同外，其内部结构与引脚完全相同。

在此我们选用了较为常用的8051芯片。

其引脚示意图如图3.1-1所示：

MCS-51系列单片机由微处理器、存储器、定时器/计数器、串行和并行的I/O接口、中断系统合振荡器构成。

8051的P0.0～P0.7这8根引脚采用分时复用的方法作低8位地址线与双向8位数据线；P2.0～P2.4这5根引脚在访问片外存储器或扩展I/O接口时，提供高位地址；P2.5～P2.7和P1.0这4根引脚接2片74LS138译码器，产生片选信号；引脚ALE接地址锁存器74LS373、8155、8279和SA4828的使能端；EA/VPP端因不访问片内存储器而接地；X1、X2接6MHz的晶振；RESET端接重启电路。

[8]

2.2片外存储器功能简介

片外存储器扩展包括程序存储器（ROM）扩展和数据存储器（RAM）扩展。

MCS-51系列单片机具有64KB的程序存储空间，其中8051、8071片内有4KB的程序存储器，8031片内无程序存储器。

当采用8051、8071型单片机而程序超过4KB，或采用8031单片机时，就需对程序存储器进行外部扩展。

外部程序存储器的扩展原理如图2-2所示：

[2]

图2-2外部程序存储器扩展原理图

外部程序存储器可选用EPROM、E2PROM、PAGEDEPROM和KEPROM等。

紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM，典型产品有Intel公司的系列芯片2716（2Kx8位）、2732A（4Kx8位）、2764A（8Kx8位）、27128A（16Kx8位）、27256（32Kx8位）和27512（64Kx8位）等，在这些芯片上均设有一个玻璃口，在紫外线下照射20分钟左右，存储中的各位信息均变为1。

以后通过编程器可将这些程序固化到这些芯片中。

如在实时数据采集和处理时，仅靠内部的RAM是远远不够的，因此必须扩展外部数据存储器。

常用的数据存储器有静态RAM和动态RAM两种。

以下为静态RAM与MCS-51的接口外部数据存储器的扩展方法如图2-3所示：

[2]

图2-3外部数据存储器的扩展原理图

6264是8Kx8位的静态随机存储芯片，采用CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功率200mW，典型存储时间200ns，为28线双列直插式封装。

6264的A0～A12这13条地址线与锁存器的输出及P2口对应线相连，6264的D0～D7这8条数据线与8031的P0口对应相连，6264的

和

与8031的

和

对应，CS0接高电平。

[8]

按照这种片选方式，6264的8KB地址范围不唯一，6000H～7FFFH是一种地址范围。

当向该片6000H单元写有个数据DATA时，可用如下指令：

MOVA，#DATA

MOVDPTA，#6000H

MOVX@DPTR，A

从7FFFH单元读一个数据时，可用如下指令：

MOVDPTR，#7FFFH

MOVXA，@DPTR

上面讨论的是8031扩展一片EPROM或RAM的方法。

在实际应用中，可能需要扩展多片EPROM或RAM。

本次设计要扩展8Kx8位的EPROM和8Kx8位的RAM各3片。

当CPU通过指令MOVCA，@A+DPTR发出读EPROM操作时，P2、P0发出的地址信号应能选择其中一片的一个存储单元，即8片2764不应该同时被选中，这就是所谓的片选。

我们采用了地址法译码，译码芯片为2片74LS138。

总共可提供16个片选信号。

2.3显示与键盘部分设计

显示设备有CRT、LCD、LED等，我们选用的是功能简单的LED数码管显示器。

LED显示器由7条发光二极管组成显示字段，有的还带有小数点dp。

将7段发光二极管阴极连在一起，称为共阴接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。

LED要正常工作需要通过I/O接口芯片8155与8051相连。

8155芯片内具有256个字节的RAM，两个8位、一个6位的可编程I/O和一个14位计数器，与MCS-51接口简单，是单片机应用系统中使用最广泛的芯片。

[8]

8155可以和MCS-51直接相连。

8155的RAM和各端口地址如下：

RAM的地址：

000H～00FFH

命令口：

0200H

A口：

0201H

B口：

0202H

C口：

0203H

定时器低位：

0204H

定时器高位：

0205H

设8051RAM中有6个显示缓冲单元79H～7EH，分别存放6位显示器的显示数据。

8155的A口扫描输出总有一位为高电平，8155的B口输出相应位的显示数据的段数据，使每一位显示出一个字符，其余位为暗，依次改变A口输出的饿高电平位及B口输出对应的段数据，6位显示器就显示出缓冲器的显示字符。

程序清单如下：

DIR：

MOVR0，#79H；显示缓冲区首址送R0

MOVR3，#01H；使显示器最右边位亮

MOVA，R3

LD0：

MOVDPTR，#0101H；扫描值送入PA口

MOVX@DPTR，A

INCDPTR；指向PB口

MOVA，@R0；取显示数据

MOVA，#12H；加上偏移量

MOVXA，@A+PC；取出字形

MOVX@DPTR，A；送出显示

ACALLDL1；延时

INCR0；缓冲区地址加1

MOVA，R3；

JBACC.5，LD1；扫到第6个显示位了吗？

RLA；没有，R3左环移一位，扫描下一个显示位

MOVR3，A

AJMPLD0

LD1：

RET

DSEG：

DB3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH；显示段码表

DSEG1：

DB7DH，07H，7FH，6FH，77H，7CH

DSEG2：

DB39H，5EH，79H，71H，73H，3EH

DSEG3：

DB31H，61H，1CH，23H，40H，03H

DSEG4：

DB18H，00H，00H，00H

DL1：

MOVR7，#02H；延时子程序

DL：

MOVR6，#0FFH

DL6：

DJNZR6，DL6

DJNZR7，DL

RET

键盘共设有32个键，由4条行线8条列线组成开关矩阵。

对于开关矩阵的接法大多数单片机的入门教科书上大多是采用8155作为键盘I/O的接口芯片，但8155芯片不具备中断请求输出端，于是不得不采用键盘扫描程序不断的检测是否有按键被使用，这样就给单片机造成了很大的运算负担，运算量较大时有可能造成系统无法响应，所以我们在这里选用了专门用于键盘连接的8279芯片。

8279采用单一＋5V电源供电，40脚封装。

2.4交流异步电动机变频调速系统

交流异步电动机因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点，在生产和生活中得到广泛应用。

与其他种类电动机相比，交流异步电动机的市场占有量始终第一位。

然而，长期以来，交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的难题。

直到20世纪70年代，由于计算机的产生，以及近20年来新型快速的电力电子原件的出现，才使得交流异步电动机调速成为可能，并得到迅速的普及。

[9]目前，交流异步电动机调速系统已广泛用于数控机床、风机、泵类、传带机、给料系统、空调器等设备的动力源或运动源，并起到节约电能、提高设备自动化、提高产品产量和质量的良好效果。

因此，交流异步电动机调速技术是现代自动控制专业技术人员必须要掌握的知识。

现代流行的交流异步电动机调速控制方法是变频变压法（VVVF）。

这种调速方法的原理比较简单，而且有20多年比较成熟的发展经验，因此应用得较多，市场上也有较多的相关产品。

2.4.1交流异步电动机变频调速原理

根据电机学理论，交流异步电动机的转速可由式（2-1）表示：

…………………………………………………………………………（2-1）[9]

式中:

n--电动机转速

p--电动机磁极对数

f--电源频率

s--转差率

由上式可知，影响电动机转速的因素有：

电动机的磁极对数p、转差率s和电源频率f。

其中，改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频调速。

2.4.2主电路和逆变电路工作原理

变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。

能实现这一功能的装置称为变频器。

变频器由两部分组成：

主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，即先将交流电转变成直流电（整流、滤波），再将直流电转变成频率可调的矩形波交流电（逆变）。

图2-4[2]是主电路的原理图，它是变频器常用的最基本的格式。

图2-4电压型交-直-交变频调速主电路

（1）.主电路中各元件的功能

主电路中各元件的功能如下。

交-直电路

整流管D1～D6组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。

整流后的直流电压

U=1.35x380V=513V[2]

滤波电容Cr滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。

当变频器通电时，瞬时冲击电流较大，为了保护电路元件，加限流电阻Ra。

延时一段时间后，通过控制电路使开关JK闭合，将限流电阻短路。

电源指示灯LP除了指示电源通断外，还可以在电源断开时，作为滤波电容Cr放电通路和指示。

滤波电容Cr容量通常很大；所以放电的时间较长（数分钟），几百伏的高电压会威胁人员安全，因此，在维修时要等指示灯熄灭后进行。

Rc是制动电阻。

电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路是处在断开情况下，增加的电能无处释放，使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。

所以，应给一个放电通路，使这部分再生电流耗在电阻Rc上。

制动时，通过控制电路使开关管Tc导通，形成放电通路。

直-交电路[2]

逆变开关管T1～T6组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。

逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管IGBT、功率效应管MOSFET。

续流二极管D7～D12的作用是：

当逆变开关管由导通状态变为截止时，虽然电压突变将为0，但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二级管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。

另外，当电动机制动时，续流二级管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。

电阻R1～R6、电容C1～C6、二极管D13～D18组成缓冲电路，来保护逆变开关管。

由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流Ic和集电极与发射极间电压VCE的冲击，如图所示，因此要通过缓冲电路进行缓解。

当逆变开关管关断时，VCE迅速升高，Ic迅速降低，过高增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容（C1～C6）来减少电压增长率；当逆变开关管开通时，VCE迅速降低，而Ic则迅速升高，并联在逆变开光管两端的电容（C1～C6）由于电压降低，将通过逆变开关管放电，这将加速电流Ic的增长率，造成逆变开光管的损坏。

所以增加电阻（R1～R6），限制电容的放电电流。

可是当逆变开光管关断时，该电阻又会阻止电容的充电。

为了解决这个矛盾，在电子两端并联二极管（D13～D18），使电容在充电时，避开电阻，通过二极管充电，在放电时，通过电子放电，实现缓冲功能。

（2）三相逆变桥的工作原理

三相逆变桥的电路简图如图2-5（a）[9]所示，图中R、Y、B为逆变桥的输出。

图2-5（b）[9]是各逆变管导通的时序，其中深色部分表示逆变导管。

图2-5（b）可以看出，每一时刻总能有3只逆变管导通，另3只逆变管关断；并且T1与T4、T2与T5、T3与T6每对逆变管不能同时导通。

在t1时间段,T1、T3、T5这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从R到Y和从B到Y（设从R到Y、从Y到B、从B到R为正方向），得到线电压为URY和-UYB。

在t2时间段，T1、T5、T6这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从R到Y和从R到B，得到的线电压为URY和-UBR。

在t3时间段，T1、T2、T6这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从R到B和从Y到B，得到的线电压为-UBR和UYB。

在t4时间段，T2、T4、T6这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从Y到R和从Y到B，得到的线电压为-URY和UYB。

[9]

图2-5电路简图和逆变管通断时序

在t5时间段，T2、T3、T4这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从Y到R和从B到R，得到的线电压为-URY和UBR。

在t6时间段，T3、T4、T5这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从B到R和从B到Y，得到的线电压为UBR和-UYB。

线电压URY、UYB、UBR的波形见图2-6[9]。

从图中可以看出，三者之间互差120，它们的幅值是U。

图2-6逆变输出线电压波形

因此，只要按图的规律控制6只逆变管的导通和关断，就可以把直流电逆变成矩形波三相交流电；而绝、形波三相交流电的频率可在逆变是受到控制。

然而，矩形波不是正弦波，含有许多高次谐波成分，将使交流异步电动机产生发热、力矩下降、振动噪声等不利结果。

为了使输出的波形接近正弦波，可采用正弦脉宽调制波。

2.4.3变频与变压

由前面的叙述可知改变电源频率可达到改变电动机转速的目的，但实际上当交流异步电动机进行变频调速时，必定会造成通过电动机铁芯的磁通量的改变。

由于电动机的磁通容量与电动机的铁芯大小有关，通常在设计时与达到最大容量，因此，当磁通量增加时，将产生磁饱和，造成实际磁通量增加不上去，产生电流波形畸变，削弱电磁力矩，影响机械特性。

为了解决机械特性下降的问题，一种解决方案是设法维持磁通量恒定不变，即设法使

E/f=KΦ=常数

这就要求，当电动机改变电源频率f时，E与应该作相应的变化，来维持它们的比值不变。

由于阻抗上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压U很小，可略去。

则：

U≈E

这就说明可以通过调节电压U，使其跟随频率f的变化的方法达到使磁通恒定不变的目的，从而调整电动机的转速。

怎样实现变频的同时也变压？

我们采用的方法是脉宽调制（PWM）。

将图3-6所示的一个周期的输出波形用一组等宽脉冲波来表示，如图2-7[10]所示。

图2-7含有等宽载波的脉宽调制波形

如图2-8所示，买个脉冲的宽度为t1,相邻脉冲的间隔为t2，t1+t2=Tz（脉冲周期）。

则等宽脉冲的占空比α为

α=t1/（t1+t2）

调节占空比α，就可以调节输出的平均电压；调节PWM波的频率1/T，就可以改变电源频率，实现调速。

通过控制电路，可以容易的实现对脉冲波的占空比和PWM波的频率分别进行调整。

[10]

但是，虽然实现了变频与变压，可是逆变电路输出的电压波形仍然是一组矩形波，而不是正弦波，仍然存在许多高次谐波的成分，因此还要进行改变。

一种方法是将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦波的变化规律，如图所示。

我们把这样的波称为正弦脉宽调制波，简称SPWM波。

SPWM波大大地减少了谐波成分，可以得到基本满意的效果。

产生正弦脉宽调制波SPWM的方法是：

用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图所示，其相等的时刻（即交点）作为开关管“开”或“关”的时刻。

图2-8SPWM波形生成方法

将这组等腰三角形波称为载波，而正弦波则称为调制波。

正弦波的频率和扶植时刻控制的，如图2-8[11]所示，改变正弦波的频率，就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变了输出电压。

[11]

2.4.4电动机与单片机的接口

在调制波的频率、幅值和载波的频率这3项参数中，不论哪一项发生变化时，都使得载波与调制波的交点发生变化。

因此，在每一次调整时，都要重新计算交点的坐标。

显然，单片机的计算能力和速度不足以胜任这项任务。

过去通常的作法是：

对计算做一些简化，并事先计算出交点坐标，将其制成表格，使用时进行查表调用。

但即使这样，单片机的负担也很重。

为了使单片机从这一沉重的负担中解脱出来，近些年来，一些厂商推出了专用于生成三相或单项SPWM波控制信号的大规模集成电路芯片，如HEF4752、SLE4520、SA4828等。

采用这样的集成电路芯片，可以大大地减轻单片机的负担，使单片机可以空出大量的时间用于检测和监控。

在本次设计中，我们采用的便是SA4828三相SPWM波控制芯片。

SA4828时MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片。

它既可以单独使用，也可以与大多数型号的单片机接口。

该芯片的主要特点为：

全数字控制；兼容INTEL系列和MOTOROLA系列单片机；输出调制波频率范围0～4kHz；16位调速分辨率；载波频率最高可达24kHz；内部ROM固化3种可选波形；可选最小脉宽和延迟时间（死区）；可单独调整各相输出以适应不平衡负载；看门狗定时器。

SA4828采用28脚的DIP和SOIC封装。

来自单片机的数据通过总线控制和译码进入初始化寄存器或控制寄存器。

它们对相控逻辑电路进行控制。

外部时钟输入经分频器分成设定的频率，并生成三角形载波，三角载波与所选定的片内ROM中的调制波形进行比较，自动生成SPWM输出脉冲。

通过脉冲删除电路，删去比较窄的脉冲（如图所示），因为这样的脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗。

通过脉冲延迟电路生成死区，保证任何桥臂上的两个开关管不会在状态转换期间短路。

看门狗定时器用来防止程序跑飞，当时间条件满足时快速封锁输出。

片内ROM存有3种可供选择的波形，它们是纯正弦波、增强型波形和高效波形。

如图所示。

每一种波形各1536个采样值。

增强型波形又称三次谐波，它可以使输出提高20%，三相谐波互相抵消，防止电动机发热。

高效型波形又称带死区的三次谐波，它是进一步优化的三次谐波，可以减小逆变开关管的损耗，提高功率利用率。

寄存器列阵包含8个8位寄存器R0～R5和R14、R15。

其中R0～R5用来暂存来自单片机的数据,这些数据可能是初始化数据,或者是控制数据；而R14、R15是两个虚拟的寄存器，物理上不存在。

当向R14写操作时，实际是将R0～R5中存放的48位数据送入初始化寄存器。

当向R15写操作时，是将R0～R5中存放的48位数据送入控制寄存器。

SA4828芯片可以与多种不同种类单片机接口，这次我们选用的是INTEL公司的8051单片机。

8051的地址与数据总线，因此，SA4828芯片的MUX引脚接高电平或者悬空不接。

通过8051的P0口与SA4828的AD口相连，提供8位数据和低8位地址，SA4828芯片中的地址锁存器可以锁存来自8051的低8位地址，从而将AD口输入的地址与数据分开。

SA4828的地址锁存器由8051的ALE信号控制。

同时，连接的控制信号还有读、写信号RD和WR。

SA4828的片选信号CS用译码器74LS138的控制信号SASEL控制。

[8]

SA4828的8个寄存器的地址为,寄存器R0～R5的地址：

0000H～0005H;虚拟寄存器R14,R15的地址:

000EH,000FH。

SA4828的SETTRIP引脚接8051的P1.1，使单片机能够在异常情况下封锁SA4828的输出。

ZPPR引脚接8051的P3.2（INT0），测量调制波的频率，用于显示。

SA4828的TRIP引脚接一只发光二极管，当SA4828的输出被封锁时，发光二极管灯亮报警。

SA4828的6个输出引脚RPHT、YPHT、BPHT、RPHB、YPHB、BPHB分别通过各自的驱动电路，来驱动逆变桥的6只开关管。

2.5位移和转速检测部分的设计

2.5.1位移检测传感器和转速检测传感器的选用

由于转台控制量的要求精度较高，必须采用闭环控制系统，又由设计要求可知所设计的液压飞行模拟实验转台统必须具备位置检测功能。

所以必须通过高精度的位移传感器对位移量进行检测和绝对式编码器对转速进行检测，将检测结果转换成数字量，反馈给单片机，通过单片机对这些数据进行处理，处理的结果作为控制量对电动机进行控制，从而实现对各个液压缸升降速度的精确和工作台转速的控制，也就是对位移量的精确控制。

在此我们选用光栅位移检测传感器。

原因有如下几点：

（1）输出数字信号。

光栅传感器输出的是数字信号，这使得它易于与数字电路，特别是单片机接口。

这样就省去了模-数之间的转换，简化了电路。

（2）高精度。

由于在某些使用场合下对转台的工作精度要求较高，所以应选用具有较高精度的位移检测传感器。

而光栅尺完全符合这种需求，由于精密的光刻技术和电子细分技术，以及莫尔条纹所具有的对局部误差的消除作用，光栅传感器可以得到很高的测量精度。

目前，用于长度测量的光栅，其测量误差可控制在0.2～0.4μm/m以内，精度为0.5～3μm/1500mm，分辨率可做到0.1μm，允许计数速度为200mm/s。

（3）具备大量程。

这次我们设计的同步顶升系统，其