三轴惯性陀螺测试转台控制系统的研制
过记录计数器１输出的脉冲数量来控制电机的转角。步进电机的输出转速由下式决定：
ω＝Δ·fo/N(度／秒)??(１)?
步距角Δ＝[360/(200·i·m)]（度／脉冲）?(２)?
式中，步进电机旋转一周的步数为２００；
ｉ为转台传动机构减速比；
ｍ为步进电机驱动器细分数；
ｆ０为输入８２５４的脉冲源频率；
Ｎ为分频数，即写入８２５４计数器０的值。
表1各轴分频值N的设定
转轴转速范围/simΔ(度/脉冲)分频数N高速（fo=6MHz）低速(=10kHz)轴0.01～5020500.0018216～63529112～1800轴0.05～5480500.00007590～9000--轴0.05～5280500.00012857154～15428--
各子系统写入８２５４计数器０的分频值如表１所示。由于对８２５４计数器写入的分频值只能为正整数，而通过计算得出的分频值Ｎ不一定为正整数，因此要对输入８２５４计数器０的分频值进行四舍五入。产生的驱动脉冲频率大小具有舍入误差，其大小不超过：
±(1/2)/N×１００％?(３)?
三轴的最小分频值Ｎ＝９０（θ轴），转速最大误差为０．５６％。
３转台控制系统的软件设计
３．１面板模块软件的设计
面板模块程序流程图如图４所示。上电开始后，软件首先对ＡＴ８９Ｃ５２的内部寄存器、液晶显示屏以及８２５５并口进行初始化。程序用一个字节作为系统工作状态寄存器，寄存器中各标志位分别记录串口以及面板的锁定及解锁情况以及各运转轴的当前运转方向和高低速状态。液晶显示初始化设定ＬＣＤ的显示边界及范围，以及清空液晶显示模块显存。串行通讯的波特率定为９６００ｂｉｔ／ｓ。
面板初始化完成后，软件将同时检测面板各按键信号并等待串口的中断信号，当检测到一种信号后，将另一种信号屏蔽。在“ψ轴（或θ轴、φ轴）”键按下后，系统锁定在面板工作方式，并关闭串口中断。进入面板工作方式后，软件按流程执行转轴选择、模式设定、参数设定、运转执行等功能。控制面板按键包括ψ、θ、φ轴选择键，运转模式选择键，数字键，确定、停止键以及手动控制键。读取控制面板按键信号后，将选取的运转轴、运转模式以及设定的速度角度等参数记录于指定的寄存器中。待软件检测到“运行”键按下后，将数据送入与相应轴通讯的８２５５寄存器中，并将该８２５５的Ｃ０位置高，通知轴控模块读取。
面板控制模块与上位计算机之间制定了串行通讯协议。串行通讯指令采用ＡＳＣＩＩ码的形式，上位计算机指令和控制器返回信息都以“＄”字符开头。面板模块检测到串口接收到字符“＄”时，则认为上位计算机开始发送信息，信息以回车符结束。“＄”后面是转轴标识符，用“Ｘ”或“Ｙ”或“Ｚ”表示，分别对应ψ、θ、φ三个转轴。转轴标识符后依次为速度、转角、时间的ＡＳＣＩＩ码表示值。程序将接收到的上位控制指令中的ＡＳＣＩＩ码参数值转换为轴控模块可识别的十六进制参数值，并发送到相应的轴控模块。
３．２轴控模块软件的设计
子系统轴控模块程序流程图如图５所示。程序开始后先初始化８２５５各Ｉ／Ｏ口和８２５４各计数器的工作方式。软件通过查询８２５５的Ｃ０口，检测是否得到了由面板模块发送来的数据。轴控模块接收到面板模块发来的指令后，将速度、角度数据经计算转换成为８２５４计数器０的分频值Ｎ和计数器２所需要记录的脉冲数。参数转换完成后，程序根据设定指令进入相应运转模式。
当各转轴转速达到或超过１°／ｓ时，为了使步进电机在有外加负载及高速运转下不丢步，确保在高速启动或停止时保持稳定，程序对步进电机的高速启动和停止进行了加减速控制。程序采用匀加减速方法。由式(１)可知，分频值Ｎ是角速度ω的反比例函数，设定ω１＝１°／ｓ为加速过程的初始速度和减速过程的最终速度，并设定加减速过程中每隔１０ｍｓ速度差值△ω＝１°／ｓ，所以有：
Ｎ１＝(Δ·f0)/ω1
Ｎ２＝(Δ·f0)/ω2＝(Δ·f0)/2ω1＝N1/2
…………………………
Ｎｉ＝(Δ·f1)/ωi＝(Δ·f0)/iω1＝N1/i
即每经过１０ｍｓ延时循环送给８２５４定时器０的分频值Ｎｉ就是将ω＝１°／ｓ对应的分频值Ｎ１除以当前的循环次数得到的。程序将每一步加减速送入８２５４的Ｎｉ值保存到起始地址为２０００Ｈ的内存单元中，制成分频值Ｎｉ的数表。在加速过程中，依次将分频值Ｎｉ送入８２５４计数器０中，一直到从数表中读入的分频数不大于设定速度对应的分频值Ｎｍａｘ，并将Ｎ 《三轴惯性陀螺测试转台控制系统的研制(第2页)》
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ω＝Δ·fo/N(度／秒)??(１)?
步距角Δ＝[360/(200·i·m)]（度／脉冲）?(２)?
式中，步进电机旋转一周的步数为２００；
ｉ为转台传动机构减速比；
ｍ为步进电机驱动器细分数；
ｆ０为输入８２５４的脉冲源频率；
Ｎ为分频数，即写入８２５４计数器０的值。
表1各轴分频值N的设定
转轴转速范围/simΔ(度/脉冲)分频数N高速（fo=6MHz）低速(=10kHz)轴0.01～5020500.0018216～63529112～1800轴0.05～5480500.00007590～9000--轴0.05～5280500.00012857154～15428--
各子系统写入８２５４计数器０的分频值如表１所示。由于对８２５４计数器写入的分频值只能为正整数，而通过计算得出的分频值Ｎ不一定为正整数，因此要对输入８２５４计数器０的分频值进行四舍五入。产生的驱动脉冲频率大小具有舍入误差，其大小不超过：
±(1/2)/N×１００％?(３)?
三轴的最小分频值Ｎ＝９０（θ轴），转速最大误差为０．５６％。
３转台控制系统的软件设计
３．１面板模块软件的设计
面板模块程序流程图如图４所示。上电开始后，软件首先对ＡＴ８９Ｃ５２的内部寄存器、液晶显示屏以及８２５５并口进行初始化。程序用一个字节作为系统工作状态寄存器，寄存器中各标志位分别记录串口以及面板的锁定及解锁情况以及各运转轴的当前运转方向和高低速状态。液晶显示初始化设定ＬＣＤ的显示边界及范围，以及清空液晶显示模块显存。串行通讯的波特率定为９６００ｂｉｔ／ｓ。
面板初始化完成后，软件将同时检测面板各按键信号并等待串口的中断信号，当检测到一种信号后，将另一种信号屏蔽。在“ψ轴（或θ轴、φ轴）”键按下后，系统锁定在面板工作方式，并关闭串口中断。进入面板工作方式后，软件按流程执行转轴选择、模式设定、参数设定、运转执行等功能。控制面板按键包括ψ、θ、φ轴选择键，运转模式选择键，数字键，确定、停止键以及手动控制键。读取控制面板按键信号后，将选取的运转轴、运转模式以及设定的速度角度等参数记录于指定的寄存器中。待软件检测到“运行”键按下后，将数据送入与相应轴通讯的８２５５寄存器中，并将该８２５５的Ｃ０位置高，通知轴控模块读取。
面板控制模块与上位计算机之间制定了串行通讯协议。串行通讯指令采用ＡＳＣＩＩ码的形式，上位计算机指令和控制器返回信息都以“＄”字符开头。面板模块检测到串口接收到字符“＄”时，则认为上位计算机开始发送信息，信息以回车符结束。“＄”后面是转轴标识符，用“Ｘ”或“Ｙ”或“Ｚ”表示，分别对应ψ、θ、φ三个转轴。转轴标识符后依次为速度、转角、时间的ＡＳＣＩＩ码表示值。程序将接收到的上位控制指令中的ＡＳＣＩＩ码参数值转换为轴控模块可识别的十六进制参数值，并发送到相应的轴控模块。
３．２轴控模块软件的设计
子系统轴控模块程序流程图如图５所示。程序开始后先初始化８２５５各Ｉ／Ｏ口和８２５４各计数器的工作方式。软件通过查询８２５５的Ｃ０口，检测是否得到了由面板模块发送来的数据。轴控模块接收到面板模块发来的指令后，将速度、角度数据经计算转换成为８２５４计数器０的分频值Ｎ和计数器２所需要记录的脉冲数。参数转换完成后，程序根据设定指令进入相应运转模式。
当各转轴转速达到或超过１°／ｓ时，为了使步进电机在有外加负载及高速运转下不丢步，确保在高速启动或停止时保持稳定，程序对步进电机的高速启动和停止进行了加减速控制。程序采用匀加减速方法。由式(１)可知，分频值Ｎ是角速度ω的反比例函数，设定ω１＝１°／ｓ为加速过程的初始速度和减速过程的最终速度，并设定加减速过程中每隔１０ｍｓ速度差值△ω＝１°／ｓ，所以有：
Ｎ１＝(Δ·f0)/ω1
Ｎ２＝(Δ·f0)/ω2＝(Δ·f0)/2ω1＝N1/2
…………………………
Ｎｉ＝(Δ·f1)/ωi＝(Δ·f0)/iω1＝N1/i
即每经过１０ｍｓ延时循环送给８２５４定时器０的分频值Ｎｉ就是将ω＝１°／ｓ对应的分频值Ｎ１除以当前的循环次数得到的。程序将每一步加减速送入８２５４的Ｎｉ值保存到起始地址为２０００Ｈ的内存单元中，制成分频值Ｎｉ的数表。在加速过程中，依次将分频值Ｎｉ送入８２５４计数器０中，一直到从数表中读入的分频数不大于设定速度对应的分频值Ｎｍａｘ，并将Ｎ 《三轴惯性陀螺测试转台控制系统的研制(第2页)》
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