（电力电子与电力传动专业论文）基于tms320f2812的飞行仿真器力感控制系统的研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕一l 学位论文 r e s e a r c ho nf o r c e - - f e e l i n gc o n t r o ls y s t e mo f f l i g h t s i m u l a t o rb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a b s t r a c t f o r c e - f e e l i n gs y s t e mi st h em a i np a n so ff l i g h ts i m u l a t o r t h em a i nf u n c t i o n o ff o r c e f e e l i n gs y s t e mi s p r o v i d i n gf o r c ef e e l i n go fl o a d i n gf o rs i m u l a t o r i t s i m u l a t e st h er e a lf e e l i n go fn a v i g a t i n gf o rd r i v e ra n dp r o v i d e sc o r r e s p o n d i n g f o r c ea c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e d c o n d i t i o nf o rn a v i g a t i n g i ti sd i s c o v e r e dt h r o u g h i n v e s t i g a t i n gt h a tt h e r ea r en om a t u r ep r o d u c ta b o u tf o r c es e r v oa n dt h o s e a d o p t e da r ed e p e n d i n go ni m p o r t t h er e s e a r c h i n ga b o u tf o r c es c i v oe q u i p m e n t w h i c hh a so u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sh a sh u g es i g n i f i c a n c e i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ew h o l ep r o c e s sf o rf o r c es e r v os y s t e mi td i s c u s s e s d r i v e db yd cm o t o r , f r o m d e s i g n i n ga n da r g u m e n t a t i o nt o f i n a l p r o d u c e m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na s s e m b l yi sd e s i g n e dt h a tc o u l dr o t a t el i m i t e da n g l eo n t w od e g r e e so ff r e e d o m t o r g u em o t o rw i t hl o ws p e e da n dg r e a t t o r q u ei s r e p l a c e db yd cm o t o r s ow ec a nr e d u c et h er i p p l eo fo u t p u tt o r q u ea n dg e ta h i g hp e r f o r m a n c eo u t p u tt o r g u e t h em a t h e m a t i c sm o d e lo ff o r c es c r v os y s t e mi sb u i l tt od e d u c et h es t a b i l i t y c o n d i t i o n t h ec i r c u i t d i a g r a m i s d e s i g n e db a s i n go nt h es i m u l a t i n g a n d r e s e a r c h i n g i nm a t l a b t m s 3 2 0 f 2 8 1 2i sd e s i g n e da sac o n t r o l l i n gc o r ea n dc a n c o m m u n i c a t et op cb yr s 一2 3 2i n t e r f a c e t h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n to b s e r v i n g s y s t e m i s d e s i g n e db a s i n go nc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) 1 3 一b i td i g i t a lq u a n t i t yo u t p u tc a nb eu s e dt oo b s e r v et h ea n g l ed i s p l a c e m e n t r e a l - t i m e t o r q u eo u t p u ti sc o n t r o l e di n d i r e c tb ya r m a t u r ec u r r e n tf e e d b a c ka n d c o m p e n s a t e db ys o f t w a r ei nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2t oi m p r o v et h ep r e c i s i o n t h ep a r to fd cm o t o rd r i v e ri sac u r r e n tt r a c i n gs y s t e mc o n t r o l l e db ya n a l o g v o l t a g ew h i c hh a sab e t t e rt r a c k i n ga b i l i t y t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e db yas e r i e s o fe x p e r i m e n t s t h e s ee x p e r i m e n t sa p p r o v e dt h a tt h ef o r c es e l v o s y s t e mc a n s a t i s f yt h er e q u i r e m e n ta n dh a v ep l e a s e dp o r t a b i l i t y a n di tc a nb eu s e df o rm a n y u 哈尔滨理下大学下学硕j j 学位论文 o t h e rr e q u i r e m e n t sb yl e s sc h a n g i n g k e y w o 玮l - d s ：f l i g h ts i m u l a t o r ；f o r c e f e e l i n gc o n t r o l ；t r a c i n gs y s t e m ； t m $ 3 2 0 f 2 812 1 1 1 哈尔滨理丁大学下学硕一f ：学位论文 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的飞 行仿真器力感控制系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已 注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由 本人承担。 作者签名： 取新 ， 日期：训辟7 月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的飞行仿真器力感控制系统的研究系本人在哈 尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文 的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名 义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本 人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名： 导师签名： 耿新 i 王允空 日期：训扣7 月f 日 日期：渺年7 月7 日 哈尔滨理下大学t 学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着计算机和机电技术的不断深入发展，机电一体化的高科技产品正逐 步渗透到人们工作、生活的各个领域，利用电机作为动力源，通过计算机控 制的各种力感控制装置在工业控制、航空、娱乐及各种实物仿真等领域得到 越来越广泛的应用。 “飞行仿真器力感控制系统的研制”这一课题的提出正是在这种机电技 术不断进步、市场需求不断增加的背景下提出的。 飞行仿真器：( f l i g h ts i m u l a t o r ) j ，是指在地面模仿飞机空中飞行状态、飞 行环境和条件的设备，又称为飞行模拟器( 机) 。飞行仿真器广泛应用于飞行 员的训练、飞机设计和机载设备的实验等方面。 飞机飞行仿真器按用途它可分为两类。一类用于工程设计和研究。即用 它协调、修正和优化飞行操纵，仪表显示，动力装置和武器系统的不同参数， 以求得最佳分配的效果。它还可以对已有的系统进行分析和评价。如进行自 动飞行系统研究i 2 。 另一类用于训练1 3 】，用来训练飞行员，可以不受外界环境的影响，节省 真实飞行时数，而使飞行人员熟悉新机种的驾驶技术，同时具有极高的安全 性。因此，飞行仿真器已与计算机，风洞和飞行实验并列，被认为是目前世 界航空科研的四大重要手段。规范的飞行仿真器最初是用模拟计算机来实现 的。如基于p c 的武装直升机编队飞行训练仿真系统【4 】。 飞行仿真器主要由计算机、驾驶舱、运动系统、视景系统以及操纵负荷 力感觉系统组成。其中操纵负荷力感觉系统( 简称“力感系统”) ，也常被 称为力感控制系统、杆力反馈系统、力感控制系统或者人感系统等【5 i 。驾驶 员在操纵飞机的驾驶杆、油门杆和方向舵等操纵机构时，操纵负载系统给驾 驶员以操纵负载力的感觉。这些负载力随操纵机构的行程大小、飞行高度和 飞行速度等飞行参数的变化而改变。操纵负载系统通常采用力感控制系统。 驾驶员在飞行仿真器上进行飞行训练时，可以人为地设置各种故障和特殊情 况，以培养驾驶员处置故障和特殊情况的能力。 目前，国内对力感控制系统的需求增长十分迅猛。以航空设备发展需求 为例，我国目前在研制的新型运输机、战斗机不下2 0 多个型号，这其中还不 哈尔滨理t 大学下学硕 j 学位论文 包括部队对已装备的机型进行改造、更新的1 0 多个机型。随着技术进步及对 操纵灵活、简便的需求，要求新型飞行器的载荷越来越大，速度越来越快， 但传统的液压伺服飞控传动装置已经不能满足飞机的设计要求。主要表现在 操纵笨重、精度差、响应频率低等液压系统所不能克服的技术瓶颈。 国内外新型飞机的飞控系统为克服这一问题，纷纷采用电传操纵装置1 6 j ， 如美国的f 1 6 、苏制的s u 2 7 、s u 3 5 以及我国的飞豹、歼1 0 等机型。电传 操纵装置的核心问题是要解决负荷力感的生成和反馈以及数学模型算法设 计。所以，力反馈技术实际上可以理解成是对电机的控制。都是将负荷力感 生成的数据信息转换成对应的一组波形数据并发送给电动机控制芯片或者电 机驱动器，而电动机会根据相应波形数据运作，从而实现力感效果。 目前在我国还没有成熟的产品，全部采用像荷兰f c s 这样的专业生产厂 商的产品，因此研发具有我国自主知识产权的力感生成装置，填补当前我国 在这一领域的空白具有很高的现实意义。 解决力感生成系统的技术瓶颈，打破国外在这一领域的垄断，为我国的 航空、航天及其仿真业、工业控制等领域研发、生产、配套的力感生成产品 具有深远的历史意义和极大的社会意义。 1 2 力感控制系统的国内外研究的现状 飞行模拟器力感控制系统的主要任务是仿真驾驶杆和脚蹬上的负载力及 其变化特性，通常采用的仿真方法有： 1 弹簧加载采用与真实飞机载荷机构弹簧刚度或气动力变化斜率接 近的弹簧，直接与驾驶杆、脚蹬连接，便能产生与驾驶杆和脚蹬位移成正比 的力，但它不能随飞行状态而变化，也不可能实现配平功能，只能用于简易 飞行训练。 2 利用载荷机构实物加载这种杆力模拟方法是比较早期的方法，它难 于对操纵系统性能进行全面仿真，而且与其它子系统的交链影响、故障仿真、 调整改变动态和静态特性都很困难，因此，目前在大型复杂的飞行模拟器上 均不采用。 3 力感控制系统加载利用由传感器测量驾驶杆( 脚蹬) 上的力、位移和 位移速度等信号，经计算机中杆力仿真模型程序的计算，得到加于力感控制 系统执行机构上的控制指令，执行机构产生的力直接加到驾驶杆或脚蹬上。 这种仿真方法精度高，杆力模型和参数易于修改，可适应不同仿真对象和不 哈尔滨理t 人学丁学硕f j 学位论文 同工作模式杆力特性变化的要求。目前国内外大型复杂的飞行模拟器均采用 这种仿真方法。 1 2 1 国外研究现状 1 9 3 0 年，美国人埃德温林克发明了第一个飞行仿真器，并且以自己名 字命名为“林克练习器”，尽管它存在着技术上的缺陷，但它已经体现了不使 用真实飞机就能安全、经济地反复进行紧急状态动作训练的优点。在第二次 世界大战期间，加速对飞行员的培训成为各国空军的迫切需要，战争使飞行 训练增加了许多实际困难，于是，各主要参战国都各自研制了多种模拟器械， 用以满足对飞行员进行单项训练的要求。规范的飞行仿真器最初是用模拟计 算机来实现的。从1 9 5 0 年起美国宾夕法尼亚大学和麻省理工学院开始进行数 字模拟计算机研究，1 9 6 0 年获得成功。1 9 6 4 年生产出第一批商业用数字式飞 行仿真器产品。 目前在大型飞行模拟器的杆力模拟方面，荷兰的f c s 公司拥有较先进和 成熟的技术。在游戏方面力反馈技术主要掌握在i m m e r s i o n 与微软两家公司 手中，它们也是目前力反馈产品市场的主要竞争对手。虽然目标相同，但在 实现的原理上两家公司却有着很大的不同。在协议方面，i m m e r s i o n 公司推 行它的i - f o r c e 协议，并提供i - f o r c ea p i 接口，而微软则支持a c t i v e x ( d i r e c t x ) 的a p i 接口：在控制芯片方面，i m m e r s i o n 公司的力反馈设备采用i - f o r c e2 0 ， 而微软则使用s i d e w i n d e rf f ；在传动方面，微软通过内置的齿轮来产生一种 机械式的振动，i m m e r s i o n 却采用钢缆进行线性传动。 虽然各公司研发的力反馈技术稍有不同，但根本原理是一样的。因为实 现力反馈技术的过程离不开电动机。所以，力反馈技术实际上可以理解成是 对电动机的操作。都是将力生成的数据信息转换成对应的一组波形数据并发 送给电动机控制芯片或者电机驱动器，而电动机会根据相应波形数据运作， 从而实现力反馈效果。而电动机做出反应后，如何将效果反馈给使用者，各 个厂商之间使用的方式也各不相同。 另外在应用程序接口( a p i ) 方面作为力生成操纵载荷系统提供了相当 丰富的专业应用和控制软件，以f c s 公司为例，f c s 公司产品随机附带的软 件有操纵负荷计算机软件，监视软件f c s e x p l o r e ，模拟硬件软件e c o l r t ， 模拟主机软件e c o l h o s t 。操纵负荷计算机软件有提供了三种可选模型：基 本模型、通用模型、专用模型。其中基本模型是免费的，通用模型是付费的， 3 哈尔演理下大学t 学硕卜学位论文 专用模型的价格相对比较高。f c s 公司保证专用模型通过f a a d 级测试，也 可以采用任何其它的有效性标准进行测试，保证合格，力感觉的设置和验证 都由f c s 完成。 新版的g o o g l e 里有一个小功能，g o o g l e 并没有把飞行仿真器当成是这 版的重要功能，反而把它藏在特殊键c t r l + a l t + a 里。按下去之后，会跳出 一个窗口让你选择飞机( f 1 6 或s r 2 2 ) ，然后就可以用飞机的方式邀游 g o o g l ee a r t h 的世界了。这是建立在g o o g l e 地图数据库的有趣应用方式。 这种方式的出现将会给民用的飞行仿真器带来更广阔的市场前景。 m u l t i v e h i c l e s i m 是p s s 公司推出的最新的仿真器，扩展了m u l t i s a t s i m 的功能。增加了大气层内飞行器的仿真能力。可以仿真从地球表面的到太阳 系边缘的多种航空航天飞行器的飞行任务。m v s 灵活的体系结构使之可以应 用到开发的的各个阶段，从概念设计到硬件测试和飞行实验。除了 m u l t i s a t s i m 的功能，m v s 还有以下特点： 1 ) 包含导弹，稀薄气体和亚音速动力学模型。 2 ) 对接和分离模型可以用于空对空导弹的发射和卫星的对接，以及其他 应用 3 ) 通过t c p i p 连接用户的传感器和执行部件模型。传感器和执行部件 的动力学由m v s 解算 据法国宇航防务2 0 0 8 年3 月1 3 日报道。贝尔波音公司联合项目办 公室接收了一份v - 2 2 全飞行仿真器( f u l lf l i g h ts i m u l a t o r ，f f s ) 和飞行训 练装置( f l i g h tt r a i n i n gd e v i c e ，f t d ) 产品和最新型号的价值7 8 5 0 万美元 的不确定交付日期和交付数量的合同。 这份合同将为v - 2 2f s s 和f t d 训练装置、飞机通用操作设备( a c o e ) 、 f f s 和f t d 训练装置备用装置提供分析、设计、开发、升级、增强、集成、 安装、测试、训练、维护、后勤支援和结构管理。 合同内容还包括在f f s 和f t d 训练装置内结合v 0 2 2 训练设备转换要求。 全部工作内容分别在沃思堡和费城各完成总工作量的5 0 ，并计划到2 0 1 1 年3 月前完成。合同经费不会在本财年结束时终止。 1 2 2 国内研究现状 随着国防军备的增强，国防工业的民营化，作为航空领域的分支飞行仿 真以及与飞行有关的娱乐业在国内也在飞速发展，尤其我国这一市场虽然刚 4 哈尔滨理下大学t 学硕i j 学位论文 刚起步，但正处在一个追赶国外先进水平的高速发展期，各种飞行模拟器的 需求将会不断地增加。而力反馈技术是飞行模拟器模拟仿真中最重要的一部 分。 飞行仿真的产品在担负着保卫共和国领空的飞行部队得到了广泛的应 用，并逐渐形成规模。飞行仿真器从几年前的研发阶段已经走到了装备部队 的实际应用阶段。如近两年单台造价在3 0 0 0 万元以上的s u 2 7 、s u 3 0 模拟 训练器的生产达到十多( 台) 套，三角翼飞行模拟训练器有近二十台的生 产，在总装“十一五规划中，将装备三角翼飞行模拟训练器计划的数 量确定为九十套之多。但作为杆力仿真的核心产品力感觉生成系统长期依赖 进口。 虽然目前市场上杆力模拟的设备和产品很多，但是其中的核心技术仍然 是国外进口的。随着电机技术和电机控制技术的不断进步，例如高性能d d 马达以及各种高性能驱动控制器的出现，已经使得杆力系统的模拟越来越简 单化，集成化，小型化，我们已经不必使用昂贵费用购买成品设备。使用高 性能的d d 马达配合先进的驱动器完全可以搭建出符合自身要求的、低成本 的杆力模拟系统。 根据执行机构的不同类型，力感控制系统可分为以下几类： 1 ) 液压力感控制系统： 2 ) 电磁摩擦力感控制系统； 3 ) 力矩电机式力感控制系统； 4 ) 直流电机式力感控制系统。 其中液压力感控制系统有功率大、快速性好、精度较高等优点，但也存 在系统复杂、性能受油温影响、使用维护工作量大等缺点。力矩电机式力感 控制系统随着力矩电机性能的提高，已有越来越广泛的应用，因为它也可以 满足功率大、快速性高的要求，同时使用维护方便，性能更加稳定，成为了 力感控制系统的首选。 现阶段，力矩电机具有低转速、大力矩、性能稳定等特点，尤其是新式 的稀土永磁直流力矩电机，其性能有了很大的提高，转矩波动已经可以降低 到2 左右。更值得一提的是一种新型的限角度稀土永磁直流力矩电机，可以 在一定角度范围内提供高性能指标的力矩。 但是力矩电机普遍体积大、成本高。随着工业水平的提高，永磁直流电 机的性能得到了极大的提高，与力矩电机相比，永磁直流电机具有体积小、 转动惯量小、操控简单、转矩波动小、成本低廉等显著优点。相同功率的电 哈尔滨理t 大学下学硕l j 学位论文 机而言，直流电机要远远小于力矩电机。而且力矩电机的转矩波动本身就要 大于直流电机的转矩。成本上直流电机更是具有明显的优势。所以采用直流 电机代替力矩电机实现力反馈控制是现阶段我国力感控制系统的主要研究方 向。 在国内，有关研究主要集中在航空研究所、飞行设计院以及航空院校等 企事业单位，并且取得了显著的成绩。 执行机构方面，西安微电机研究所研究生产的有限转角直流力矩电动机， 该种电机在一定角度范围内进行转动，不需要任何机械转动机构就能直接地 实现转角位移。由于摆动电机结构简单、噪音低、效率高、体积小、价格低， 且工作可靠、易于控制、动态响应好，所以得到了越来越广泛地应用。哈尔 滨工业大学研制的正交圆柱结构双气隙共磁钢三自由度电动机1 1 ，可以进行 三个自由度的旋转，控制方便，也可以满足力感控制系统的要求。 1 3 力感控制系统的研究内容 飞行仿真器力感控制系统的核心是对电机的控制【8 】【9 】，因此如何更加有 效的控制电机工作一直是所有研究者关注的问题1 1 0 】。 整个研究工作分为以下几个方面： 1 1 控制策略的选择； 2 ) 控制核心的设计； 3 1 传感器部分设计； 4 、驱动电路的设计； 5 1 机械传动部分的设计。 力感系统的目的是为了控制输出的力，整个系统是一个随动系统，输出 力矩的大小随控制量变化而变化【1 1 】。因此最终的控制量为操纵杆上输出力的 大小【1 2 】。从自动控制理论的知识我们可以知道，要想控制某个量，我们就要 让这个量形成负反馈。 测量操纵杆上力也可以通过测量直流电机的输出转矩得到。但这样作系 统的机械结构会变得很复杂，成本较高。而直接测量操纵杆把手处的力，在 力传感器的安装上也有一定的困难。 另一种方式就是间接控制。我们选取直流电机的电枢电流作为控制的对 象，通过电枢电流与电磁转矩成正比的关系间接的控制电机的输出转矩。这 样就不需要增加专门的力传感器，也不用再机械结构上特别考虑，只需要使 6 一 哈尔滨理t 大学t 学硕f j 学佗论文 用小电阻采样就可以达到目的。但这样作的缺点是由于不是直接控制输出转 矩，而输出转矩和电磁转矩通常是有一定差值的。所以必须进行一定的补偿 算法来增加控制的精度1 1 3 l 。 由于需要一定的数据处理能力和通讯能力，整个系统的控制核心使用基 于d s p 的控制系统【1 4 1 。同时需要为各种功能要求设计出程序模块。d s p 的强 大计算能力可以对整个系统的状态量进行检测，并能够完成复杂的控制算法、 简化电气系统，提供更快更精确的控制能力。 传感器方面需要测量的是电机的转速、角位移和电枢电流。这部分的主 要功能要求就是要得到可以供使用的高精度的状态量。并且由于实时性的需 要，主要有硬件电路完成。 驱动方式上最主要的有功率放大、p w m 控制两种。比较而言，放大电路 的方式结构上要简单很多，该方面的理论也很成熟；p w m 控制方式的效率更 高，可以控制的功率也更大。考虑到系统的功率比较小，所以采用功率放大 电路更加合适一些。 结构上，采用双电机同轴串连的结构要较使用一个等效的直流电机有很 大的优势。首先、在响应时间和转动惯量上，两个较小的电机组成的双电机 结构要比单一电机的结构小。其次、双电机结构对于飞行仿真中需要提供振 动、忽然力变向等特殊要求时更有优势。 在许多生产线上，为了减小机械设备的转动惯量，加快过渡过程及减少 过渡过程中的能量损耗，经常采用两台或多台电机同轴驱动。例如，钢铁、 铜、铝冷轧机的主轧机和卷取机设备，高速线材的精轧机等，这种多电机传 动系统的关键是解决好速度控制和力矩均衡控制两大问题，如采用一个速度 调节器和多个电流调节器构成的主从控制系统。 双电机传动系统，两台电机是通过机械刚性同轴联结，保持速度同步。 区别于单电机传动系统，两台电机的控制系统不是独立的而是彼此相互关联 的。若两台电机传动都作为独立的速度控制，两台电机的转矩难以调整，况 且其中一台电机无法安装作为速度反馈的脉冲编码器。 1 4 本章小结 在本章中我们对飞行仿真器以及其核心部件力感系统，做了一定的 介绍，同时对国内外在这一领域中的研究情况作了调研。从中可以看出，在 这一领域中我国与国外先进水平之间的差距还是很大的，我们目前的产品基 哈尔滨理1 二人学t 学硕i ：学位论文 本相当于国外1 0 年前的先进水平。从技术的积累以及工业加工的水平上来 看，这种差距也是必然的。 不过今年来我国市场飞速发展，而市场需求在很大程度上可以大大的加 速科技的发展。因此这一领域的前景乐观，其中的机遇与挑战并存，不但要 求我们努力攻克技术难关，更要将求实效性，加快自身的脚步。 本课题的内容更多在于寻求技术上的突破，填补技术空白，并为进一步 研究工作积累经验，打下基础。 哈尔滨理t 大学t 学硕f j 学位论文 第2 章力感控制系统的设计 力感控制系统是飞行仿真器的负载模拟系统。主要模拟在操纵杆端产生 的操纵飞行器时的负荷力。同时要求操纵杆可以在两个自由度上进行4 5 。角 的转动。 系统还需要与上位机通讯，将力感控制系统的状态参数发送给上位机， 并根据上位机的给定，提供负荷力。从控制类型上看属于随动系统，不但要 求系统具有稳定的输出，而且要求具有较好的实时跟随性能【1 5 】【1 6 1 。 2 1 力感控制系统的组成及工作原理 力感控制系统主要由以下几个部分组成：上位机( p c 机) 、下位机( d s p ) 、 直流电机驱动电路、永磁直流伺服电机、机械传动系统、信号采集与调理电 路。图2 - 1 为力感控制系统的系统框图。 外部输出鼎外部输出 、iir s 2 3 2。 下位u l d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 12 ) 赢i 磊i 蔟_ i _ jiii上上力矩控制量lii 崎i 藉i 蒺 草糕 增量式光 电编码器 双输通道d a 转换器 控制电压 驱动电路 ( o p a 5 4 1 a p ) x 轴电机ily 轴电机 调理电路 电流采样 信号调理 增量式光 电编码器 i 垄丝塑些l 图2 - 1 力感控制系统框图 f i g 2 - 1b l o c kd i a g r a mo ff o r c e f e e l i n gc o n t r o ls y s t e m 当系统工作时，由飞行员操纵控制杆。下位机d s p 接收基于c p l d 的电 机转角与转速的实时观测电路的信号。下位机d s p 将转角与转速数据传递给 上位机，并根据这些数据以及上位机的命令计算出控制数据。控制数据由d a 转换器变为模拟信号后送入驱动电路驱动永磁直流电机。与此同时，电机的 电流信号由采样电路采样，经调理后反馈给驱动电路形成负反馈，使得直流 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 电机的电磁转矩与给出的控制信号一致i r 7 1 。同时，电流的采样信号经调理后 还同时送入d s p 进行监测并作为状态量送上位机。而输出的电磁转矩最终在 控制杆端形成相应的负荷力感觉。 在整个过程中，操纵者始终是主动的，而电动机是从动的。力始终是控 制对象，所以该系统是力感控制系统。整个控制过程就是电机输出力矩不断 平衡控制杆力的动态平衡过程，同时下位机不断把相关数据传递到上位机进 行显示等后台处理工作。 力感控制系统在飞行员操纵驾驶杆时产生适当的杆位移和杆力，以此来 模拟驾驶真实飞机时的操纵感觉，这是人感系统的基本任务。 系统设计中考虑了后续开发的可能，因此采用了冗余的设计。编码器信 号可以直接送入d s p 处理；也可以由c p l d 处理后得到的角度数据送入d s p ， 还可以由c p l d 送入d a 转换器转换为模拟信号后送给d s p 或者直接对外 输出模拟信号给上位机。同样，力矩的控制数据可以由d s p 控制d a 转换 器给出，也可以直接由外部输入模拟电压信号。 直流电机上安装了增量式光电编码器1 1 剐，该编码器发出a 、b 两路方波 信号，电机每旋转一周，每路发出5 0 0 个方波信号。且a 、b 两路信号有9 0 0 的相位差。由此相位差可以判断电机的旋转方向。对信号进行处理即可以得 到电机的角位移和转速等信息。这些信息经d s p 处理，并送入上位机，在上 位机根据各种数据给出目标转矩的数值送给d s p 。经过处理，将得到的数据 转换为相应的模拟电压控制信号来控制伺服系统产生力矩输出。 系统采用双电机同轴驱动方式【”】，用两个小容量的电机取代传统的单个 大容量电机驱动。电机的体积和重量都得到了大幅度的减小，这在满足系统 对转矩的需求的同时，最大程度的减小了系统的转动惯量，使得作用在杆上 的实际力矩与电机电磁力矩之间的差减小到一个比较理想的范围内，由此我 们就可以直接由d s p 通过一定的算法进行补偿即可得到理想的数据1 2 。 因此在电机的驱动电路上就可以得到极大的化简，采用高性能的功率放 大器件构成压控电流源电路来直接控制直流电机的电枢电流1 2 。而直流电机 的电枢电流与电磁转矩成正比例关系，也就等于直接控制了电机的电磁转矩。 另一组前后方向上的电机组的构成与工作原理与上述完全一致。两组电 机组共用同一个d s p 控制核心。 d s p 通过r s 2 3 2 串行接口与上位机进行数据交换。 哈尔 寅理t 大学t 学硕 ：学位论文 2 2 下位机d s p 及其接口电路 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 以下简称f 2 8 1 2 ) 是美国德州仪器公司( t i ) 推出的功能强 大、性能优越的3 2 位定点d s p ，具有1 5 0m i s 的处理能力和强大的事件管 理及嵌入式控制能力，片内集成有1 5 0k x1 6b i t 存储器，1 6 通道1 2 位高性 能d 转换器，2 个事件管理器( e v a 和e v b ) ，c a n 总线控制器、2 个串行 通信接口模块( s o a 和s c i b ) 、串行外设接口模块( s p i ) 、功能串行接口( m c b s p ) 及5 6 个通用i o 口。该d s p 以高效的3 2 位定点c p u t m s 3 2 0 c 2 9 x 为核心 处理器，其开发既可使用c 2 8 x 汇编也可使用a n s i c c + + 语言。此外t i 公司 还提供有虚拟浮点数学函数库( i q 数学函数库) 、快速傅里叶变换( f 丌) 算法函 数库、滤波器库等，这些函数库可显著简化应用系统开发。该器件既具备数 字信号处理器强大的数据处理能力，又像微处理器那样具有适于控制的片内 外设及接口，可谓实现了数字信号处理器与微处理器的最佳结合这一高度集 成化的芯片，极大地降低了系统成本，使系统功耗低，实时性高，灵活性强； 另一方面，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 简称“f 2 8 1 2 ) 与t m s 3 2 0 f 2 4 x l f 2 4 0 x 源代码及 部分功能相兼容，使其应用领域更加广泛。 图2 2 为f 2 8 1 2 主电路的功能框图。作为整个系统的核心部件，f 2 8 1 2 负责接与上位机进行通讯并控制整个系统【2 引。系统所有的状态信息都由 f 2 8 1 2 进行监测和控制。 上位机 p c x 轴光电编码器 s c i t x d aa d c a o s c i r x d aa d c al m c l kx aa d c b o m f s x aa d c b l m d x a 模 拟 量 输 入 y 轴光电编码器 图2 - 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主电路接口图 f i g 2 - 2i n t e r f a c eo fm a i nc i r c u i tf o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 坠一 引一加n 伟萧= e 哈尔滨理t 人学t 学顾_ f 学位论文 2 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的串口电路设计 如图2 2 ，整个系统中用到f 2 8 1 2 串口功能的主要有两个部分，分别是 与上位机进行通讯的r s 2 3 2 电路和与t l v 5 6 1 7 进行通讯的串行数据传输部 分。 与上位机通讯部分采用r s 2 3 2 串行通讯设计，最常用的是基于m a x 2 3 2 芯片的电平转换电路1 2 3 】，但是由于m a x 2 3 2 为5 v 供电。本系统采用3 3 v 供电的m a x 3 2 3 2 芯片，因此不需要额外的电平转换电路，可以与f 2 8 1 2 共 用3 3 v 电源。如图2 3 所示，f 2 8 1 2 上的管脚s c i t x d a 与s c i r x d a 是为 s c i 串口服务的。将数据直接经m a x 3 2 3 2 转换电平后直接可以送入上位机 ( p c ) 。 而丽夏升旦上叶m a xp 1 可 e 至璺! _ 至l j 翌l 苴41 兰曼兰f 慢一 图2 3r s 2 3 2 接口 f i g 2 - 3r s - 2 3 2i n t e r f a c e t l v 5 6 1 7 是一款串行通信的d a 转换芯片。f 2 8 1 2 通过串口m c l k x a 、 m f s x a 和m d x a 将数据传送给t l v 5 6 1 7 ，再由t l v 5 6 1 7 完成d a 转换。 在图2 2 中可以看到，m c l k x a 为t l v 5 6 1 7 提供时钟信号，m f s x a 与 t l v 5 6 1 7 的片选端相连，m d x a 向t l v 5 6 1 7 串行输出1 6 位的数据。 2 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 并口部分电路设计 f 2 8 1 2 通过通用i o 接口g p i o a 与g p i o b 接收来自于e p m 7 0 6 4 a 的数 据以及相应的控制位数据。 e p m 7 0 6 4 输出为1 3 位并行数字量。而f 2 8 1 2 只接收高1 0 位既可以有足 够的精度。g p i o a 0 g p i o a 7 与对应于x 轴的c p l d 所输出1 3 位数据的第 6 到第1 3 位相连，g p i o a l l 、g p i o a l 2 接输出数据的第4 位与第5 位， g p i o a l 3 为清零端输入，g p i o a l 4 为使能端输入，g p l o a l 5 为置位端输入。 c a p l 、c a p 2 、c a p 3 分别接编码器的三路输出。整个g p i o a 的1 6 个引脚 配合x 轴c p l d 使用。同样的，将g p i o b 的1 6 个脚与对应于y 轴的c p l d 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 配合使用，g p l o b 0 g p i o b 7 与c p l d 输出1 3 位数据的第6 到第1 3 位相连， g p i o b l l 、g p i o b l 2 接c p l d 输出数据的第4 位与第5 位，g p i o b l 3 为清零 端输入，g p i o b l 4 为使能端输入，g p i o b l 5 为置位端输入。c a p 4 、c a p 5 、 c a p 6 分别接编码器的三路输出。连接顺序如图2 - 4 。 t m $ 3 2 0 f 2 8 12 d xo u t 5 加u t l2 一g p l oa 0 - a 7 g p i ob ( 卜b 77 c p l d yo u t 5 删 d xo u t 3 一o u t 4 _g p i oa 1i a 1 2 g p i ob 11 一b 1 2，一c p l d yo u t 3 d u 誓垫特暑l 岫k a e 二 c a p lc a p 4二二c l k a y舭egclkb c a p 2c a p 5l ”衙编码器 编码器c l k z 厂。 c a p 3c a p 6 g p l 0 a 13g p l o b l3 gp i o a l 4g p l 0 8 1 4 g p l 0 a 15g p l o b l5 图2 4 并行数据接口 f i g 2 - 4p a r a l l e ld a t ai n t e r f a c e f 2 8 1 2 的通用i o 绝大部分都是多功能复用引脚。其中， g p i o a 8 g p i o a l 0 与g p i o b 8 g p i o b l 0 可以通过g p i o m u x 寄存器设置为 捕获单元，用以检测光电编码器脉冲信号的上升沿【2 4 1 。 2 2 3 模拟量输入 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的模数转换模块( a d c ) 有1 6 个通道，可配置为两个独立 的8 通道模块( a d c i n a 与a d c i n b ) 。但a d c 模块中只有一个转换器， a d c i n a 与a d c i n b 每组对应一个采样保持( s h ) 电路。因此，在设计应该 尽量将输入量分开输入a d c i n a 与a d c i n b 中，以提高转换速度。如图2 2 ， a d c i n a 0 与a d c i n a l 分别接与x 轴对应的角位移和电枢电流信号( 或者可 以接力传感器信号) 。a d c i n b 0 与a d c i n b l 分别接对应于y 轴的角位移与 电枢电流信号( 或力传感器信号) 。 2 3 基于c p l d 的电机角位移观测电路 基于c p l d 的电机位置观测电路负责实时的观测操纵杆的位置。它主要 由三部分组成：脉冲信号调理电路、角位移生成电路、d a 转换电路【2 5 1 。观 测电路的任务是将编码器的脉冲信号进行处理，得到操纵杆的转动角度。同 时将数子量输出转换成模拟量输出。 哈尔滨理丁大学t 学硕f j 学位论文 2 3 1 脉冲信号调理电路 观测电路的信号来自于直流电机上配置的增量式光电编码器，编码器需 要外接直流电源。当电机旋转时，该编码器会输出三路脉冲信号，其中a 、 b 两路信号为5 0 0 p r 的脉冲信号，两路信号相位相差9 0 。而c 路信号为 零位信号，每周发出一个零点脉冲用以矫正误差。这三路信号均需要外接上 拉电阻。 图2 5 为信号的调理电路。7 4 h c l 4 的作用是消除脉冲信号的尖峰与外部 干扰，采用3 3 v 供电。处理后的信号为3 3 v 的脉冲信号，分别送入c p l d 与d s p 。编码器采用5 v 供电，外接上拉电阻后输出为5 v 的方波脉冲信号。 再经过7 4 h c l 4 处理后，可以得到理想的方波脉冲信号。 图2 5 光电编码器信号调理电路 f i g 2 - 5s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i tf o rp h o t o e l e c t r i ce n c o d e r 整个电路为两组完全一样的电路组成，1 、2 通道分别对用x 轴与y 轴。 两组电路分别使用独立的7 4 h c l 4 芯片，增强可靠性。 2 3 2 角位移生成电路 可编程逻辑器件e p m 7 0 6 4 a e 是基于a l t e r a 公司第二代高性能3 3 v 多阵列矩阵结构( m a x ) ，并采用先进的c m o s e e p r o m 技术制造的，共有 4 4 个引脚。该器件由逻辑阵列块( l a b ) 、可编程连线阵歹i j ( p i a ) 和i o 控制块 哈尔滨理t 人学丁学硕f ! 学位论文 等部分组成。 e p m 7 0 6 4 中的每个逻辑阵列块由1 6 个宏单元阵列组成，其中多个逻辑 阵列块通过可编程连线阵列连接在一起。p i a 全局总线可由所有的专用输入、 i o 引脚以及宏单元馈入信号之中。e p m 7 0 6 4 的宏单元可以单独地配置成时 序逻辑或组合逻辑工作方式。每个宏单元又由逻辑阵列、乘积项选择矩阵和 可编程寄存器等二个功能块组成。 通过可编程连线阵列可把各个l a b 相互连接起来以构成所需的逻辑。同 时，通过在p ia 上布线，也可把器件中任一信号源连接到其目的地。 i 0 控制块允许每个i o 引脚单独地配置为输入、输出和双向工作方式。 所有i o 引脚都有一个三态缓冲器。它们由两个专用的低电平有效的输出使 能引脚_ o e l 和o e 2 来控制。 可编程逻辑器件e p m 7 0 6 4 的主要性能特点如下： 1 1 逻辑密度为6 0 0 个