無(wú)人機載光電任務(wù)設備升降機構的控制器設計

摘要：介紹了無(wú)人機載光電任務(wù)設備升降機構的工作原理、結構組成及其控制器設計。控制器采用C8051F320單片機，驅動(dòng)電路選用高集成度、高性?xún)r(jià)比、高可靠性和高效率的驅動(dòng)芯片MSK4310實(shí)現。與傳統分立元件方法相比，簡(jiǎn)化了80%的電路設計，節省了50%的結構尺寸。系統實(shí)現了光電任務(wù)設備的自主升降以及到位停止等自動(dòng)控制功能。

保證了無(wú)人機在起飛、降落時(shí)其所配備光電任務(wù)設備的安全性。

無(wú)人機載光電任務(wù)設備升降機構是為了實(shí)現光電任務(wù)設備在特定空域自主升降而設計的。當無(wú)人機在巡航時(shí)，升降機構將光電設備降至合適的位置，保證其搜索、探測、識

別、跟蹤等功能的無(wú)障礙實(shí)現;當無(wú)人機在起飛和降落時(shí)，升降機構將光電設備升至無(wú)人機艙段內的安全位置，使其在受到較大沖擊時(shí)，免受損壞，保證其安全性;同時(shí)，當無(wú)人機不使用光電設備時(shí)，升降機構將其升起至機艙艙段內，也可以保證無(wú)人機飛行時(shí)的機體空氣動(dòng)力學(xué)特性。因此，升降機構的可靠正常工作是光電任務(wù)設備完成任務(wù)使命和安全使用的前提，基于此，要求升降機構及其控制器安全系數高、可靠性好，同時(shí)為滿(mǎn)足無(wú)人機裝載條件，要求體積重量小。

1 升降機構簡(jiǎn)介

升降機構為無(wú)人機載產(chǎn)品，機構實(shí)現遵循簡(jiǎn)捷、適用、重量輕、體積小等原則，保證升降運動(dòng)平穩自如、可靠安全。機構具有限位功能，在升降的任意位置有良好的自鎖功能。本文所控制的升降機構如圖1所示，選擇行星輪同步帶升降機構設計，升降機構由升降平臺和控制盒兩部分組成，控制盒置于平臺外側。升降平臺由三個(gè)薄壁框架、四根光桿及四根絲杠組成整體框架。其中第一層、第三層薄壁框架是固定框架，這兩層框架通過(guò)光桿及絲杠連接起來(lái)，支撐起整個(gè)升降平臺，兩層框架上均開(kāi)有孔洞，保證光電設備的無(wú)障礙升降運動(dòng)。第二層薄壁框架是活動(dòng)框架，光電設備通過(guò)安裝螺栓固定在該層框架上，用電機通過(guò)同步齒形帶帶動(dòng)絲杠轉動(dòng)驅使活動(dòng)框架上下運動(dòng)來(lái)達到升降光電設備的目的。

2 控制器工作原理

控制器以單片機C8051F320為升降機構主控芯片，結合芯片MSK4310的功率放大作用，配合限位開(kāi)關(guān)實(shí)現定點(diǎn)升降功能。

升降機構的工作原理是：當系統上電，升降機構初始化，上升至頂位，等待飛機發(fā)送控制指令。當飛機給出控制信號，系統自動(dòng)判斷上升或者下降。同時(shí)判斷是否上到位或者下到位。到位后，給飛機返回到位指令。工作原理見(jiàn)圖2。

3 控制器硬件設計

升降機構控制器主要由C8051單片機和MSK公司生產(chǎn)的驅動(dòng)芯片MSK4310組成，主要包括電氣接口部分、光電隔離部分、數字信號處理模塊、差分輸出模塊、電機驅動(dòng)控制模塊。飛機控制信號通過(guò)光耦器件PS2805轉化為單片機I/O口可以接受的3.3  V，單片機對輸入的數據進(jìn)行算法處理，通過(guò)差分輸出模塊得到差分電壓信號給電機驅動(dòng)控制模塊，生成相應PWM波輸出給電機。整個(gè)系統如圖3所示。

3.1 光電隔離

控制器在數字信號輸入級用到了光電隔離技術(shù)。在輸入級，由于單片機接收的控制信號為3.3  V，為了避免飛機給的高電壓控制信號CON損壞單片機I/O口，兩級之間加入光耦PS2805芯片，具體如圖4所示。

3.2 數字信號處理模塊

控制器數字信號處理模塊是以單片機C8051F320為主處理芯片MCU，實(shí)時(shí)采集飛控信號、到位信號等進(jìn)行數據處理。單片機內集成了17通道模擬多路選擇器(AMUX0)和1個(gè)200  ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。MCU接收到控制信號高低電平時(shí)，P1.2口和P1.3口輸出相反電平，經(jīng)過(guò)兩片LM193比較器進(jìn)行電壓比較，形成差分輸出電壓信號，比較器后級接上拉電阻提高輸出驅動(dòng)能力。

3.3 電機驅動(dòng)控制模塊

傳統分立元件MOSFET搭建三相橋電路，不但結構尺寸較大，容易出現信號波形失真等情況，而且其外圍驅動(dòng)電路復雜，還需加入硬件  HALL解碼或者在MCU內加入軟件HALL解碼。與其相比，MSK公司的驅動(dòng)芯片MSK4310集成波形發(fā)生器電路、門(mén)驅動(dòng)電路、HALL解碼電路、限流保護電路、速度環(huán)于一體，其結構緊湊、價(jià)格低廉、集成度高、可靠性好。電機驅動(dòng)外圍電路如圖5所示。

選用三相無(wú)刷直流電機為升降執行元件，通過(guò)接收A、B、C三相PWM波驅使電機正轉或者反轉，達到使負載上升下降的目的。電機采用制動(dòng)器制動(dòng)，制動(dòng)器正常工作電壓為+24  V，當制動(dòng)器掉電，電機呈現抱死狀態(tài)。系統在高速運行中突然出現電機抱死狀態(tài)，會(huì )出現硬力碰撞，從而傷害電機、損壞機構。為了避免上述情況，系統采用軟剎車(chē)功能，當CPU判斷到位時(shí)。先由CPU送BRAKE剎車(chē)信號給功率放大模塊，電機減速至停止，待電機停止之后，制動(dòng)器斷電，電機緊緊抱死，設備被準確定位。采用這種控制策略，容易控制，安全性好，可靠性高。

4 控制器軟件設計

軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化結構設計，主程序由時(shí)鐘初始化、I/O口初始化和主函數等構成。本著(zhù)簡(jiǎn)化程序復雜度，提高程序可靠度的原則，對程序源代碼進(jìn)行了一層層的

優(yōu)化。

上電進(jìn)行時(shí)鐘、I/O初始化，判斷單片機P1.5口是否為高電平，若為高說(shuō)明收到上升指令，電機上升，然后判斷單片機P1.2口是否為低電平，若為低說(shuō)明已經(jīng)上到位，然后停止。反之亦然。圖6為系統程序流程圖。

5 試驗結果及結論

在室溫、負載25kg條件下，完成300次升降，記錄30組數據，如圖7所示。

系統要求升降機構上升時(shí)間和下降時(shí)間小于等于20秒，通過(guò)試驗結果可以看出，機構運行時(shí)間準確性高，能夠準確完成系統的任務(wù)要求。同時(shí)機構性能穩定，上升下降平穩，控制器發(fā)熱量小。達到了預期的控制效果?？刂破骶哂腥缦绿攸c(diǎn)：

1)升降機構控制器采用MCU進(jìn)行數字信號處理。單片機C8051成熟度高、可靠性好。

2)功率放大部分選用了集成度更高的MSK4310，與傳統分立元件相比，集成度更高、抗干擾能力更強、控制更容易、結構尺寸更小。

3)系統升降速率可以通過(guò)調整差分輸出模塊的特定電阻阻值調節分壓，進(jìn)行無(wú)極線(xiàn)性調節，調節范圍為1 V到5 V，操作方便。

6 結論

通過(guò)實(shí)驗驗證，升降機構的行星輪同步帶設計保證了設備升降的平行性和穩定性，而升降機構控制器的設計極大提高了機構的自動(dòng)化水平。本設計為升降機構高安全系數、高可靠性提供了保證，同時(shí)為無(wú)人機載設備小型化做出了貢獻。同時(shí)，這一設計適用于大多數三相電機的控制系統，有很強的實(shí)用價(jià)值。