呂 明，郭玲玲

（海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島125001）

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一種新型的數(shù)字式地平儀檢測(cè)系統(tǒng)

呂 明，郭玲玲

（海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島125001）

摘要：利用PWM信號(hào)控制力矩電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)，通過(guò)單片機(jī)控制，解決了老式檢測(cè)儀器的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地平儀更加準(zhǔn)確、便捷的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：PWM；轉(zhuǎn)臺(tái)；力矩電機(jī)；地平儀

地平儀是一種利用三自由度陀螺的運(yùn)動(dòng)特性測(cè)量并指示飛機(jī)的俯仰角和傾斜角的儀表。飛行員讀取地平儀的指示值來(lái)判斷飛機(jī)的姿態(tài)并決定如何操縱飛機(jī)，因此，地平儀能否正確測(cè)量和指示飛機(jī)姿態(tài)直接關(guān)系飛行安全。為了保證地平儀的指示精度，機(jī)務(wù)人員要定期檢測(cè)地平儀的指示精度是否在允許誤差范圍內(nèi)。

1　新型檢測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)

目前，機(jī)務(wù)對(duì)地平儀的檢測(cè)仍然使用老式的速率轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖1所示。這種轉(zhuǎn)臺(tái)只有幾個(gè)固定的可控速率點(diǎn)，轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電路是模擬信號(hào)，控制精度低。為了提高機(jī)務(wù)對(duì)地平儀的保障水平，有必要研制一種檢測(cè)精度更高、控制操作更加便捷的檢測(cè)系統(tǒng)。

圖1　老式地平儀試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)

圖2所示為新式地平儀檢測(cè)系統(tǒng)，與老式的試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)比，新系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

圖2　新式地平儀檢測(cè)系統(tǒng)

（1）電控箱采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，輸出控制為無(wú)極變速，而不是像原來(lái)的只有幾個(gè)固定的速率點(diǎn)。

（2）采用彩色液晶屏數(shù)字化顯示，更為直觀；輸入采用數(shù)字鍵盤(pán)，更加準(zhǔn)確。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出不是老式轉(zhuǎn)臺(tái)的直流電壓信號(hào)而是PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)，輸出更為精確。

（4）控制箱可擴(kuò)充RS232、USB輸入/出接口，升級(jí)后可與其它數(shù)字化設(shè)備構(gòu)成全自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。

（5）對(duì)電磁鐵、減速機(jī)構(gòu)、導(dǎo)電環(huán)、搖擺限位器等易損機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良，降低故障率。

2　地平儀檢測(cè)系統(tǒng)組成

檢測(cè)系統(tǒng)主要由控制箱和轉(zhuǎn)臺(tái)組成，控制箱采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊的劃分以系統(tǒng)所完成的測(cè)試功能分類為原則，主要由輸入/輸出設(shè)備（液晶顯示器、鍵盤(pán)、旋鈕）、微處理器主板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源監(jiān)測(cè)電路、電源變換電路組成，具體如圖3所示。

圖3　地平儀檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

2.1轉(zhuǎn)臺(tái)

2.1.1組成及原理

本部件主要包括力矩電機(jī)、上蓋、搖擺機(jī)構(gòu)和殼體四個(gè)組合件。轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

（1）電機(jī)和測(cè)速電機(jī)組件。本組件包括電機(jī)、測(cè)速機(jī)以及固定其定子的電機(jī)座。電機(jī)測(cè)速機(jī)的轉(zhuǎn)子用同一軸連接并支撐在上下端蓋的軸承中。

（2）搖擺機(jī)構(gòu)組合件。工作臺(tái)面軸處于垂直位置時(shí)，臺(tái)面處于水平位置（零位）。若下鉸鏈偏離中心一段距離，并在它的水平面內(nèi)繞中心做圓周運(yùn)動(dòng)，則臺(tái)面軸的軸線就以上鉸鏈為定點(diǎn)在空間劃出圓錐體，因帶限動(dòng)支柱的刻度盤(pán)被上蓋電磁鐵止動(dòng)，臺(tái)面便做搖擺運(yùn)動(dòng)，下鉸鏈偏離中心的距離即反映了臺(tái)面的傾斜角的大小。

搖擺機(jī)構(gòu)就是調(diào)整下鉸鏈偏離中心的裝置，下鉸鏈固定在能在基座上移動(dòng)的滑塊上，當(dāng)鍵入某個(gè)搖擺角度時(shí)，搖擺電路控制板控制搖擺電機(jī)工作，電機(jī)軸通過(guò)絲杠帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，直至偏離中心到預(yù)定角度對(duì)應(yīng)的距離為止。

面齒離合器用于工作臺(tái)面的鎖定（當(dāng)接通零位電磁鐵時(shí)）和傳遞電機(jī)的力矩（當(dāng)臺(tái)面旋轉(zhuǎn)時(shí)）。

（3）上蓋組合件。組合件的蓋子上裝有平臺(tái)軸，儀表電源導(dǎo)電裝置、刻度指標(biāo)及上蓋電磁鐵等，上蓋電磁鐵工作時(shí)，臺(tái)面做搖擺運(yùn)動(dòng)。零位電磁鐵工作時(shí)臺(tái)面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

儀表電源導(dǎo)電裝置是用20個(gè)互換絕緣的導(dǎo)電環(huán)與此一一對(duì)應(yīng)的20個(gè)電刷構(gòu)成，把儀表電源由外電路輸送到臺(tái)面的32孔插座上，并由此插座輸送至儀表。

（4）殼體組合件。本組合件把蓋子組合件和電機(jī)、測(cè)速機(jī)組件連接為一體。殼體是一個(gè)柱形薄壁鑄鋁件，其底部裝有三個(gè)調(diào)整支腳，借助臺(tái)面上水準(zhǔn)儀，把臺(tái)面調(diào)整至水平位置。

2.1.2主要性能

（1）臺(tái)面在水平面內(nèi)具有0.01°/s~400°/s的旋轉(zhuǎn)角速度。

（2）臺(tái)面可實(shí)現(xiàn)2.5°、5°、7.5°、10°傾斜角的左右搖擺，搖擺周期可任意選擇。

（3）旋轉(zhuǎn)和搖擺均可自動(dòng)換向，換向時(shí)間為2.5 min.

（4）安裝在臺(tái)面上的儀表支架相對(duì)于臺(tái)面可給定傾斜和俯仰角度。

2.2控制箱

面板上安裝液晶屏，控制按鍵，以及電源開(kāi)關(guān)，接線柱等?？刂葡鋬?nèi)分為上下兩層，上層為電路板裝有電機(jī)控制電路，下層為電源部分，安裝系統(tǒng)所需要各項(xiàng)不同電壓的電源。

2.2.1組成

（1）電源部分。本系統(tǒng)有4種直流電源。由開(kāi)關(guān)電源經(jīng)整流濾波，輸出5 V給驅(qū)動(dòng)板供電；輸出12 V給液晶屏、控制板及散熱風(fēng)扇供電；輸出24 V給電機(jī)及兩個(gè)電磁鐵供電；輸出28 V給被測(cè)儀表供電。

（2）液晶顯示器。顯示器采用320×240點(diǎn)陣、6寸彩色字符型液晶屏。

（3）鍵盤(pán)。采用EL冷光源薄膜按鍵，可在低光線操作，按鍵與面膜一體化設(shè)計(jì)，與設(shè)備整體色調(diào)搭配。

（4）微處理器。微處理器為C8051F020單片機(jī)，該單片機(jī)具有單周期指令和豐富的外圍接口，并且抗干擾能力強(qiáng)。

（5）外部數(shù)據(jù)接口?？刂葡淇蓴U(kuò)充RS232、USB輸入/出接口。

2.2.2控制箱驅(qū)動(dòng)原理

（1）主電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、積分電路、PWM輸出電路、橋驅(qū)功率放大電路、電機(jī)、測(cè)速電機(jī)組成，如圖5所示。

圖5　主電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

其工作原理為：微處理器控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)為0~5 V，線性對(duì)應(yīng)電機(jī)0 ~400°/s的轉(zhuǎn)速，該電壓信號(hào)控制PWM輸出電路輸出相應(yīng)的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，控制橋驅(qū)功率放大電路輸出大功率電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。與電機(jī)同軸連接的測(cè)速電機(jī)上將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速線性對(duì)應(yīng)的反饋電壓。電機(jī)將持續(xù)提速，直至反饋電壓與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路給定的電壓在積分電路中達(dá)到平衡，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即穩(wěn)定至給定轉(zhuǎn)速。積分電路、PWM輸出電路、橋驅(qū)功率放大電路、電機(jī)、測(cè)速電機(jī)形成了一個(gè)閉環(huán)控制回路，該回路可保證電機(jī)運(yùn)行在給定轉(zhuǎn)速上。

（2）搖擺電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理。搖擺電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由微處理器、PWM輸出電路、橋驅(qū)功率放大電路、搖擺電機(jī)、位置檢測(cè)電路組成，如圖6所示。

圖6　搖擺電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

工作原理為：微處理器控制PWM輸出電路輸出脈寬調(diào)制信號(hào)，控制橋驅(qū)功率放大電路輸出大功率電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于搖擺電機(jī)沒(méi)有速度要求，微處理器控制輸出最大功率輸出，即搖擺電機(jī)以最高速度轉(zhuǎn)動(dòng)。微處理器通過(guò)位置判斷電路判斷轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜的角度，當(dāng)?shù)竭_(dá)給定角度時(shí)，停止搖擺電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)搖擺電機(jī)的位置控制。

3　軟件設(shè)計(jì)

地平儀檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)，來(lái)檢查固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上的地平儀的指示誤差是否在允許范圍。通過(guò)操作鍵盤(pán)，能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、搖擺運(yùn)動(dòng)、常用角度配置以及轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)（圖7所示）。

圖7　軟件功能流程圖

（1）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

做好準(zhǔn)備工作后，液晶屏顯示主菜單界面，按“F1”鍵進(jìn)入“轉(zhuǎn)動(dòng)”頁(yè)面。根據(jù)需要按“F1”鍵選擇“正”、“反”或“自動(dòng)”。選擇“正”即按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，選擇“反”即按照逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，選擇“自動(dòng)”則轉(zhuǎn)臺(tái)就會(huì)每隔2.5 min改變一次方向，為保護(hù)轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)先停止1 s再進(jìn)行換向?！癋3”鍵選擇常用角速度，數(shù)字鍵“0~9”分別對(duì)應(yīng)10個(gè)常用角速度選擇?！癋4”鍵對(duì)自定義角速度進(jìn)行配置。配置完成后，按“開(kāi)始”按鍵，轉(zhuǎn)臺(tái)將按照給定的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行時(shí)，必須先按下停止鍵，才能進(jìn)行下一次操作。

（2）搖擺運(yùn)動(dòng)

按“F2”鍵進(jìn)入“搖擺”頁(yè)面并選擇所需搖擺角度。按“開(kāi)始”按鍵，轉(zhuǎn)臺(tái)將按照給定搖擺角度先對(duì)工作臺(tái)面進(jìn)行傾斜，傾斜完成后蜂鳴提示，然后按照給定的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行后，必須先按下停止鍵，才能進(jìn)行下一次操作。

（3）常用角度配置

做好準(zhǔn)備工作后，液晶屏顯示主菜單界面，按“F3”鍵進(jìn)入“配置”頁(yè)面。按“F2”鍵對(duì)常用轉(zhuǎn)動(dòng)角速度進(jìn)行配置，按“F4”鍵對(duì)常用搖擺角速度進(jìn)行配置，配置完成后，按“F1”鍵進(jìn)行保存，“返回”鍵退出。

（4）轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)

按F4”鍵可以自定義轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角速度。按“F4”鍵進(jìn)入“校準(zhǔn)”頁(yè)面。進(jìn)入校準(zhǔn)頁(yè)面后轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)以200°/s的速度進(jìn)行正轉(zhuǎn)，此時(shí)用數(shù)字電壓表測(cè)量面板上測(cè)速電機(jī)輸出電壓，如此電壓不在23.6~24.4 V范圍內(nèi)，則按左右方向鍵進(jìn)行調(diào)整，將電壓調(diào)整到正常范圍后按F1鍵保存當(dāng)前狀態(tài)，返回鍵退出。

4　結(jié)束語(yǔ)

地平儀對(duì)飛行員正確判斷飛機(jī)姿態(tài)具有十分重要的作用。為解決老式地平儀速率轉(zhuǎn)臺(tái)的缺陷，設(shè)計(jì)并制造了數(shù)字式地平儀檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的精確控制，并且操作更加方便。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊春旭，林若波，彭燕標(biāo).基于PWM控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27（3）：10-12.

[2]徐啟鵬，張艷霞，等.直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].山東電力高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2012，15（1）:37-39.

中圖分類號(hào)：TH89

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0199-03

收稿日期：2016-01-14

作者簡(jiǎn)介：呂明（1978-），男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)楹娇諆x表。

A New Digital Detection System for Horizon Sensors

LV Ming，GUO Ling-ling
（Navy Flying Academy，Huludao Liaoning 125001，China）

Abstract:Use PWM signal to control the torque of the motor rotation and swing，solve the shortcomings of old detection instrument controlled by microcontroller.The detection is more accurate and convenient.

Key words：PWM；turntable；torque of the motor；horizon sensors