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船载“动中通”伺服控制系统的设计与开发

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楼主: 東南博士
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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 15:59 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:00 | 只看该作者
    主控芯片作为伺服控制系统的控制核心,不仅要完成对数据的采集、分析、处
理,同时还要对其他硬件模块进行控制。目前,伺服控制系统选用的控制芯片主要
有单片机、ARM和DPS。对本文研究的系统来说,需要进行大量的数据处理、坐
标转换和角度解算,因此对控制芯片的计算能力要求比较高,同时考虑到成本问题,
本系统选择了STMicroelectronics公司的ARM处理器作为主控芯片,型号为
STM32F103。下面简单的介绍了该处理器的一些特点。
    STM32处理器使用了ARM 32位的Cortex-M3内核,工作频率最高可达72MHZ,
在存储器的0等待周期访问时可达1.2_SDMips/MHZ,支持单周期乘法和硬件除法。
同时具有从32K到_512K字节的闪存程序存储器和最大64K字节的SRAM,支持用
户大量的程序和数据存储。具有7个DMA模块,支持的外设有ADC,定时器,SPI,
I2C和DMA等,可以大大的节约了CPU资源。STM32处理器同时还具有3个USART
接口,80多个快速IO口,以及7个定时器,能支持用户完成复杂的控制系统「23][24]
    本系统所需要的控制芯片资源有:
      }1)系统采用了三个步进电机,驱动每个步进电机需要6个数字IO口;
      }2)信标接收机需要2个采样通道完成和差信号采样;
      (3)天线限位开关总共4个,每个需要返回一路信号;
      (4)通过串口与惯导系统通信,因此需要占用一路串口;
      (5)编码器一共3个,读取每个编码器信息需要3个数字IO口。
    综上所述,系统所选的控制芯片至少应该有3 _5个IO口,STM32F103完全满足
系统需求,同时考虑到后期其他外部模块的添加,设计电路时,芯片应预留多个IOo

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:00 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:00 | 只看该作者
    惯性导航系统是指通过三轴陀螺和三轴加速度计作为敏感元件的导航参数解算
系统,其中三轴陀螺仪测量载体的三轴转动角速度;三轴加速度计测量载体的3个平
移运动的加速度。惯导设备可以根据己知的一个位置,将测量的载体的速度信息和
角速度信息发送至处理器,处理器经过计算推导出下一点的位置,所以惯导系统可
以连续的计算出运动中载体的位置信息。惯性导航设备不依赖于外部的任何信息,
也不受外界电磁场的干扰;能提供位置、角速度、航向和姿态角数据;产生的数据
信息连续性好并且噪声低;数据更新率高、短期内精度高稳定性好。本文选用的惯
性导航系统为型号为IMU610的某国产惯导系统,如图3.3所示。

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:01 | 只看该作者
    IMU610是一种可靠好、高抗震的固态惯性测量单元。内置精确的相互垂直安
装的三轴环形硅振子陀螺仪、三轴油阻尼(或空气阻尼)加速度计以及GPS接收机,
并经过三轴硅转台精密校准以满足不同条件下的性能需求。IMU610通过内置的微
型处理器对测量的数据信息做卡尔曼滤波处理,并进行数据解算,从而给出实时、
准确的载体姿态角和传感器数据[26]。同时IMU610具有以下优点:
    1.内部具有减震功能,在强烈冲击下仍具有良好性能。
    2.可以精确校准陀螺和加速度计因为自身特性带来的各种误差如零点、灵敏度、
正交性误差等。
    3.具有_SOOHz的快速计算和128kSPS高速同步采样的能力,从而保证运动细节
的计算,提高信噪比,抑制混叠。
    4.IMU610输出数据包速率最高可达250Hz (115200波特率)。
    _5.耗能低:典型值0.25A (12V)0
    产品的主要性能指标如表3.1所示。

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:02 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:02 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:02 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:02 | 只看该作者
    载体在运动过程中,需要通过检测卫星信号强度来确定天线是否对准卫星。本
文论由于处在实验阶段,因此并没有采用实际的信标接收机,而是信号发生器通过
发射天线模拟卫星信号,然后接收天线接收信号,经过射频电路板信号处理后输出
0}3V电压信号。电压幅值直接反应信号强度,当电压为3V时表明接收天线对准了
发射天线,当输出OV时,表示接收天线的指向不在波瓣范围内。

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:03 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:03 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:04 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:04 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:08 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:10 | 只看该作者
    根据以往的研究表明,直线型控制方式减速过程中,在负载范围内虽然可以完
成减速过程,但是会出现过冲、稳定性差、噪声大等现象;同时因为电机的加速、
减速过程是以恒定加速度完成的,并没有充分考虑电机矩频特性的影响,在高速转
动时可能会出现失步现象。所以步进电机在小角度的控制中不适合使用直线型速度
控制方法。
    s型速度曲线由于其加速度和速度的连续性,能保证步进电机在运动过程中,
速度和加速度都没有突变,提高了电机运行平稳性,减小冲击,可以运用于精确控
制。但是对于步进电机控制器来说,s型速度曲线算法复杂,占用资源比较多,响
应慢,并不适用于步进电机的是实时控制「18]
    指数型曲线在实际的软件编程中计算量很大,浪费处理器处理时间,所以提出
了离散逼近的方法获取合适的指数型速度曲线,将提前计算好的数据以表格形式存
储在主控芯片的Flash或ROM中,在控制过程中直接读取。电机工作时,以启动频
率直接启动,并按存好的指数型规律控制速度。由于指数型速度控制方法需要事先
计算好控制参数并存在控制器内存中,占用了大量的数据空间,并且需要在多细分
模式下才能完成控制,增加了控制成本。

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:11 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:11 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:16 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:16 | 只看该作者

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東南博士|  楼主 | 2019-9-26 16:16 | 只看该作者

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